Итоговый тест по теме «Климат России»
Контрольная работа по теме «Климат России»
1 вариант
1. Установите соответствие:
1) Количество солнечной энергии, достигшей поверхности Земли. А) антициклон
2) Излучение солнцем тепла и света. Б) Суммарная радиация
3) Атмосферный вихрь с повышенным давлением в центре. В) Солнечная радиация
4) Атмосферный вихрь с пониженным давлением в центре. Г) Циклон
2. Укажите климат, отсутствующий на территории России:
А) субарктический Б) субэкваториальный В) арктический
Г) умеренный континентальный Д) умеренный резко-континентальный
3. Выберите район России с самыми низкими зимними температурами:
А) Кавказские горы Б) полуостров Таймыр В) Якутия Г) Дальний Восток
4. Укажите океан, который оказывает основное воздействие на климат России:
А) Тихий Б) Атлантический В) Северный Ледовитый Г) Индийский
5.
Ненастная, дождливая погода связана:
А) с циклональной деятельностью Б) с антициклональной деятельностью
6. Минимальное количество осадков в России выпадает:
А) в Кавказских горах Б) на Западно-Сибирской равнине
В) на юге Дальнего Востока Г) на Прикаспийской низменности
7. Установите соответствие:
1) Арктический климат А) острова Северная Земля
2) субарктический климат Б) юг Западной Сибири
3) умеренный климат В) Оймякон
8. Выберите правильный ответ из слов, данных в скобках, и дополните предложение:
При коэффициенте увлажнения, равным 1, увлажнение считается … (недостаточное, достаточное, избыточное). Если величина коэффициента увлажнения больше 1, то увлажнение … (недостаточное, достаточное, избыточное).
9. При прохождении теплого фронта происходят следующие изменения погоды:
А) температура понижается Б) температура повышается
В) ураганные ветры Г) осадки ливневые Д) осадки затяжные, моросящие
10.
Какими цифрами на карте обозначены:
А) Оймякон Б) область резко-континентального климата В) область муссонного климата
Г) субарктический пояс Д) летний муссон Е) область умеренно-континентального климата
11. Дополните предложения:
А) Ветер разрушительной силы – … .
Б) Сухая и жаркая погода в течение длительного времени – … .
В) Переходная зона между разными воздушными массами – … .
Контрольная работа по теме «Климат России»
2 вариант
1. Установите соответствие:
1) Коэффициент увлажнения равен 1 А) испарение
2) Соотношение осадков и испаряемости Б) Испаряемость
3) Переход воды в газообразное состояние В) Коэффициент увлажнения
4) Количество воды, которое может испариться при данной температуре Г) Достаточное увлажнение
2. Укажите главную причину, от которой зависит величина суммарной солнечной радиации:
А) близость к океану Б) географическая широта места
В) расстояние от Земли до Солнца Г) циркуляция воздушных масс
3.
Выберите район России с самыми высокими зимними температурами:
А) Удмуртия Б) Черноморское побережье Кавказа В) Прикаспийская низменность Г) Дальний Восток
4. Укажите климатический пояс, в котором расположена большая часть территории России:
А) Арктический Б) субарктический В) субтропический Г) умеренный
5. Сухая, ясная погода связана:
А) с циклональной деятельностью Б) с антициклональной деятельностью
6. Максимальное количество осадков в России выпадает:
А) на западных склонах Кавказа Б) на Западно-Сибирской равнине
В) на полуострове Таймыр Г) на Прикаспийской низменности
7. Установите соответствие:
1) умеренно-континентальный климат А) юг Дальнего Востока
2) континентальный климат Б) Якутия
3) резко-континентальный климат В) центр Западной Сибири
4) муссонный климат Г) Восточно-Европейская равнина
8. Выберите правильный ответ из слов, данных в скобке, и дополните предложение:
Суммарная солнечная радиация – это … (прямая, рассеянная, поглощенная, отраженная) и … (прямая, рассеянная, поглощенная, отраженная) радиация.
9. При прохождении холодного фронта происходят следующие изменения погоды:
А) температура понижается Б) температура повышается
В) ураганные ветры Г) осадки ливневые Д) осадки затяжные, моросящие
10.Какими цифрами на карте обозначены:
А) арктический пояс Б) область континентального климата В) зимний муссон
Г) область умеренно-континентального климата Д) Оймякон
Е) территория с самыми высокими температурами июля
11. Дополните предложения:
А) Твердые атмосферные осадки, выпадающие летом – … .
Б) Атмосферный вихрь с низким давлением в центре – … .
В) Ветер разрушительной силы – … .
Ответы
1 вариант
1. 1-Б, 2-В, 3-А, 4-Г
2. Б
3. В
4. Б
5. А
6. Г
7. 1-А, 2-В, 3-Б
8. Достаточное. Избыточное.
9. Б, Д
10. А-5, Б-3, В-4, Г-6, Д-9, Е-1
11.
А) Ураган
Б) Засуха
В) Атмосферный фронт.
2 вариант
1. 1-Г, 2-В, 3-А, 4-Б
2. Б
3. Б
4. Г
5. Б
6. А
7. 1-Г, 2-В, 3-Б, 4-А
8. Прямая и рассеянная
9. А, В, Г
10. А-7, Б-2, В-8, Г-1, Д-5, Е-10
11. А) Град
Б) Циклон
В) Ураган
Гелиоэнергетика
Принципы использования и направления разработок гелиоэнергетики
Использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии может стать важным направлением в энергосбережении. Одним из таких источников является солнечная энергия, которая испускается в виде электромагнитного излучения.
Определение 1
Гелиоэнергетика – это получение тепловой или электрической энергии за счет солнечной.
Ресурсы солнечной энергии неограниченны. По подсчетам, количество энергии, достигшей поверхности Земли в течение всего минуты превышает количество энергии других источников на протяжении года.
Использование солнечной энергии позволяет экономить до 75% традиционного топлива в год.
Чтобы эффективно использовать солнечную энергию, разработано большое количество установок. Широкому применению этих установок мешает высокая цена, которая обусловлена практически отсутствием серийного производства. Кроме того, низкая цена на традиционные виды топлива тоже оказывает влияние на применение таких установок.
В последнее время в мире применяется практика строительства зданий с использованием гелиоустановок. В этом случае важным критерием при строительстве является выбор территории, где будет размещаться здание.
Электричество и тепло из солнечного излучения получают следующими способами:
- при помощи фотоэлементов – приборов, преобразующих энергию фотонов в электрическую.
- при помощи тепловых машин: паровых машин, использующих водяной пар, фреоны, пропан-бутан, углекислый газ и т.д., двигателя Стирлинга
- при помощи нагрева поглощающей солнечные лучи поверхности.
В дальнейшем полученное тепло распределяется и используется. Например, ими могут коллекторы, в которых нагревается вода. Также теплоноситель может накапливаться в специальных аккумуляторах и использоваться по необходимости. - при помощи термовоздушных электростанций, в которых солнечная энергия преобразуется в энергию воздушного потока, направляемого на турбогенератор
- при помощи солнечных аэростатных электростанций. Поверхность аэростата имеет селективно-поглощающее покрытие. На счет нагрева поверхности аэростата солнечным излучением происходит генерация пара внутри баллона аэростата. Преимуществом этого способа является наличие достаточного запаса пара в баллоне для работы электростанции в темное время суток и в пасмурную погоду.
В дальнейшем полученное тепло распределяется и используется. Например, ими могут коллекторы, в которых нагревается вода. Также теплоноситель может накапливаться в специальных аккумуляторах и использоваться по необходимости.Замечание 1
Экологическая чистота и неисчерпаемость являются большим преимуществом использования солнечной энергии.
В настоящее время активно ведется разработка гелиоэнергетических систем в двух направлениях:
- совершенствование солнечных батарей
- создание энергетических концентраторов.
Работа по созданию энергетических концентраторов включает разработку систем, которые действуют по принципу концентрации энергии. В этом случае солнечная энергия фокусируется на небольшом фотоэлектрическом элементе. Примером такой системы являются фотоэлектрические системы с линзой Френеля.
Генератором солнечной энергии является солнечная батарея. Принцип ее работы состоит в прямом преобразовании электромагнитного излучения солнца в тепло или электричество. При этом происходит генерация постоянного тока. Этот процесс называется фотоэлектрическим эффектом. Существует несколько видов солнечных батарей:
- фотоэлектрические преобразователи – устройства, которые напрямую преобразуют солнечную энергию в электричество
- гелиоэлектростанции. Эти установки используют солнечное излучение для приведения в действие тепловых, паровых, газотурбинных, термоэлектрических и других машин.
- солнечные коллекторы.
Самыми известными компаниями, занимающимися производством солнечных батарей, являются Kyocera, Siemens, BP SolarSharp, Solarex, Shell и другие.
Достоинства и недостатки гелиоэнергетики
Использование солнечной энергии для получения тепла и электричества имеет несколько очевидных преимуществ:
- солнечное излучение бесплатно, оно доступно каждому. Для того, чтобы организовать электроснабжение, не нужно строить линии электропередач, хранилища топлива и т.д., необходимо лишь установить необходимое оборудование на территории.
- солнечная энергия экологически безопасна. В гелиоэнергетике отсутствуют ядовитые выбросы и вредные побочные эффекты.
- отсутствие шума при использовании гелиосистем, в отличие от ветрогенераторов.
- оборудование долговечно и надежно
- несмотря на большую стоимость оборудования, оно быстро окупается. В результате поставляется бесплатное электричество высокого качества
- оборудование требует минимального ухода
Однако кроме перечисленных достоинств гелиоэнергетика имеет и минусы.
К ним относится то, что в ночное время суток солнечные панели вынуждены простаивать. К тому же, оборудование не каждый день может работать на полную мощность ввиду того, что не каждый день выдается солнечным. Погодные условия – туман, снегопад, дождь – снижают эффективность панелей. Поэтому используются аккумуляторы, которые заряжаются в солнечное время, а затем по необходимости используются в темное время суток или в пасмурную погоду. Для того, чтобы компенсировать недостаток энергии в непогоду, солнечные установки сочетают с другими видами генераторов.
Еще одним недостатком гелиоэнергетики является низкий КПД фотоэлектрических элементов. А сочетание низкого КПД и высокой стоимости гелиоэлектростанции увеличивает срок окупаемости оборудования. Однако ведется разработка фотоэлементов, имеющих достаточно высокий КПД, что в будущем позволит снизить цены на оборудование, повысить его эффективность.
Замечание 2
Таким образом, гелиоэнергетика является одним из перспективных направлений по получению энергии из неисчерпаемых источников.
Использование солнечной энергии позволит экономить традиционные виды топлива, что окажет позитивное влияние на экологическую обстановку в мире.
Солнечная радиация. Сезонность
1. Что называется солнечной радиацией? В каких единицах она измеряется? От чего зависит её величина?
Вся совокупность лучистой энергии, посылаемой Солнцем, называется солнечной радиацией, обычно она выражается в калориях или джоулях на один квадратный сантиметр в минуту. Солнечная радиация распределяется по земле неравномерно. Это зависит:
– от плотности и влажности воздуха – чем они выше, тем меньше радиации получает земная поверхность;
– от географической широты местности – количество радиации увеличивается от полюсов к экватору. Количество прямой солнечной радиации зависит от длины пути, который проходят солнечные лучи в атмосфере. Когда Солнце находится в зените (угол падения лучей 90°), его лучи попадают на Землю кратчайшим путем и интенсивно отдают свою энергию малой площади;
– от годового и суточного движения Земли – в средних и высоких широтах поступление солнечной радиации сильно изменяется по временам года, что связано с изменением полуденной высоты Солнца и продолжительности дня;
– от характера земной поверхности – чем светлее поверхность, тем больше солнечных лучей она отражает.
2. На какие виды разделяют солнечную радиацию?
Существуют следующие виды Солнечной радиации: радиация, достигающая земной поверхности, состоит из прямой и рассеянной. Радиация, приходящая на Землю непосредственно от Солнца в виде прямых солнечных лучей при безоблачном небе, называется прямой. Она несет наибольшее количество тепла и света. Если бы у нашей планеты не было атмосферы, земная поверхность получала только прямую радиацию. Однако, проходя через атмосферу, примерно четвертая часть солнечной радиации рассеивается молекулами газов и примесями, отклоняется от прямого пути. Некоторая их часть достигает поверхности Земли, образуя рассеянную солнечную радиацию. Благодаря рассеянной радиации свет проникает и в те места, куда прямые солнечные лучи (прямая радиация) не проникают. Эта радиация создает дневной свет и придает цвет небу.
3. Почему меняется поступление солнечной радиации по сезонам года?
Россия, в своем большинстве, расположена в умеренных широтах, лежащих между тропиком и полярным кругом, в этих широтах Солнце каждый день восходит и заходит, но никогда не бывает в зените.
Благодаря тому, что угол наклона Земли не изменен в течение всего её обращения вокруг Солнца, в разные сезоны количество приходящего тепла, в умеренных широтах, различно и зависит от угла Солнца над горизонтом. Так, на широте 450 mах угол падения солнечных лучей (22 июня) составляет приблизительно 680, а min (22 декабря) приблизительно 220. Чем меньше угол падения лучей Солнца, тем меньше тепла они приносят, поэтому отмечаются существенные сезонные различия получаемой солнечной радиации в разные сезоны года: зимы, весны, лета, осени.
4. Для чего необходимо знать высоту Солнца над горизонтом?
Высота Солнца над горизонтом определяет количество тепла приходящего на Землю, поэтому между углом падения солнечных лучей и количеством солнечной радиации, приходящей на земную поверхность, существует прямая зависимость. От экватора к полюсам в целом наблюдается уменьшение угла падения солнечных лучей, и как следствие от экватора к полюсам уменьшается величина солнечной радиации.
Таким образом, зная высоту Солнца над горизонтом, можно узнать количество тепла приходящего на земную поверхность.
5. Выберите верный ответ. Общее количество радиации, достигшей поверхности Земли, называется: а) поглощённой радиацией; б) суммарной солнечной радиацией; в) рассеянной радиацией.
Ответ: А.
6. Выберите верный ответ. При движении к экватору величина суммарной солнечной радиации: а) увеличивается; б) уменьшается; в) не изменяется.
Ответ: А.
7. Выберите верный ответ. Самый большой показатель отражённой радиации имеет: а) снег; б) чернозём; в) песок; г) вода.
Ответ: А.
8. Как вы думаете, можно ли в летний пасмурный день загореть?
Суммарная солнечная радиация состоит из двух составляющих: рассеянной и прямой. При этом Солнечные лучи, независимости от своей природы несут в себе ультрафиолет, который и влияет на загар.
9. По карте на рисунке 36 определите суммарную солнечную радиацию для десяти городов России. Какой вывод вы сделали?
Суммарная радиация в разных городах России:
– Мурманск: 10 ккал/см2 в год;
– Архангельск: 30 ккал/см2 в год;
– Москва: 40 ккал/см2 в год;
– Пермь: 40 ккал/см2 в год;
– Казань: 40 ккал/см2 в год;
– Челябинск: 40 ккал/см2 в год;
– Саратов: 50 ккал/см2 в год;
– Волгоград: 50 ккал/см2 в год;
– Астрахань: 50 ккал/см2 в год;
– Ростов-на-Дону: более 50 ккал/см2 в год;
Общая закономерность в распределении солнечной радиации такова: чем ближе объект (город) к полюсу, тем меньше солнечной радиации приходиться на него (город).
10. Опишите, чем различаются сезоны года в вашей местности (природные условия, жизнь людей, их занятия).
В какой из сезонов года жизнь наиболее активна?
Сложный рельеф, большая протяженность с севера на юг позволяют в области выделить 3 зоны, различающиеся как по рельефу, так и по климатическим характеристикам: горно-лесная, лесостепная и степная. Климат горно-лесной зоны прохладный и влажный. Температурный режим меняется в зависимости от рельефа. Этой зоне характерно короткое прохладное лето и продолжительная снежная зима. Постоянный снежный покров образуется в период с 25 октября по 5 ноября и залегает он до конца апреля, а в отдельные годы снежный покров сохраняется до 10-15 мая. Самым холодным месяцем является январь. Средняя температура зимой минус 15-16° С, абсолютный минимум 44-48° С. Самый теплый месяц – июль со средней температурой воздуха плюс 15-17° С, абсолютный максимум температуры воздуха за лето в этом районе достигал плюс 37-38° С. Климат лесостепной зоны теплый, с достаточно холодной и снежной зимой. Средняя температура января равняется минус 15,5-17,5° С, абсолютный минимум температуры воздуха достигал минус 42-49° С.
Средняя температура воздуха в июле равняется плюс 18-19° С. Абсолютный максимум температуры – плюс 42,0° С. Климат степной зоны очень теплый и засушливый. Зима здесь холодная, с сильными морозами, метелями, которые наблюдаются в течение 40-50 дней, вызывая сильный перенос снега. Средняя температура января минус 17-18° С. В суровые зимы минимальная температура воздуха опускается до минус 44-46° С.
Расчет трансформации солнечной энергии в атмосфере Земли — Мегаобучалка
Рис.2 не отражает действительного количества солнечной радиации, получаемого поверхностью Земли, так как, проходя через атмосферу, часть излучения поглощается, рассеивается или же отражается облаками.
Коротковолновое излучение поглощается газами в верхней атмосфере, что вызывает фотохимические реакции. Поглощая ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, молекулы и атомы этих газов могут терять электроны и становиться положительно заряженными ионами.
Область атмосферы, в которой достигается наибольшая концентрация ионов и электронов (60-300 км над поверхностью Земли), называется ионосферой. Именно наличие ионосферы позволяет вести радиопередачи на большие расстояния, так как от нее радиоволны отражаются и возвращаются к поверхности Земли. С другой стороны, под воздействием ультрафиолетовой радиации молекулы могут диссоциировать на отдельные атомы. Кислород диссоциирует именно таким образом, и отдельные атомы кислорода, соединяясь с его молекулами (О2), образуют молекулы озона (О3). Озон в свою очередь при поглощении ультрафиолетовой радиации, имеющей немного большую длину волны, распадается, или же его молекула разрушается при столкновении с еще одним атомом кислорода, в результате чего образуются две молекулы кислорода. Хотя озон возникает в основном на высоте более 40 км, больше всего его скапливается между 20 и 35 км. Это происходит вследствие переноса озона в нижележащие слои атмосферы, где он не так быстро разрушается приходящей радиацией.
Здесь озон окончательно поглощает опасную для жизни ультрафиолетовую радиацию, а также небольшое количество более длинноволнового излучения. Сам озон ядовит, за исключением очень малых концентраций. В атмосфере ниже 10 км он практически отсутствует, поскольку разрушается при окислении веществ, поступающих с поверхности Земли.
В целом около 3% поступающей энергии поглощается газами, в основном озоном, в атмосфере выше 10км.
В нижней атмосфере имеется только одна газообразная составляющая, которая способна поглощать значительное количество солнечной радиации, – это водяной пар. Обычно им абсорбируется около 10% солнечного излучения, однако в зависимости от локальных концентраций водяных паров эта величина может несколько изменяться. Кроме того, часть радиации поглощается здесь облаками и присутствующими в атмосфере частицами пыли.
Электромагнитное излучение, встречая на своем пути взвешенные в атмосфере частицы, рассеивается ими (если при этом не происходит его поглощения).
Интенсивность рассеяния наиболее высока при наименьших длинах волн. В видимой части спектра голубой свет главным образом рассеивается молекулами воздуха, придавая небу его характерный цвет. Перед восходом и заходом Солнца небо вблизи него приобретает красный или желтый цвет, поскольку после рассеяния голубого света в его спектре становятся преобладающими более длинноволновые составляющие. Рассеяние более крупными частицами не зависит от длин волн приходящей радиации, поэтому при тумане или дымке небо приобретает белый оттенок цвета. В результате рассеяния часть радиации поглощается в атмосфере, а часть после многократного рассеяния достигает поверхности Земли; наконец, около 7% потока солнечной радиации теряется в космическом пространстве.
Поток солнечной радиации, поступающей на поверхность облачного покрова, отражается от него. Отражательная способность облаков, то есть их альбедо, зависит от типа облаков и их мощности. Например, для мощных слоисто-кучевых облаков она может достигать 80%.
Но в среднем альбедо облаков составляет около 55%, и большая часть приходящей радиации отражается обратно в космическое пространство.
Процессы поглощения, рассеяния и отражения потока солнечной радиации в обобщенном виде изображены на рис. 1.2.3. При безоблачном небе величина солнечной радиации, которая попадает на земную поверхность, может достигать 80% радиации, поступившей на верхнюю границу атмосферы, а при плотном облачном покрове она снижается до 20%. Если не принимать во внимание облачный покров, колебания величины радиации, достигшей поверхности Земли, зависят от количества присутствующего в атмосфере водяного пара и пыли, а также от расстояния, которое проходят солнечные лучи через атмосферу Земли.
Рис. 1.2.3 Ослабление интенсивности солнечной радиации при прохождении через атмосферу (величины даны весьма приближенно, и подразумевается, что они отражают типичные условия).
При входе в земную атмосферу солнечная радиация расщепляется на три части.
Одна из них поглощается водяным паром и озоном. Вторая рассеивается молекулами воздуха, молекулами водяного пара и частицами пыли. Она называется диффузной радиацией или рассеяным излучением. Достигающая земли неизмененная часть называется прямой радиацией. Иными словами, прямая радиация – это радиация, которая поступает от солнца без изменения направления (при этом наклон солнечных лучей, вызванный преломлением в атмосфере, не учитывается). Общая солнечная энергия, достигающая поверхности земли, является суммой прямой и диффузной радиацией.
Проходя сквозь земную атмосферу, солнечная радиация меняется по интенсивности и спектральному составу вследствие поглощения и рассеяния на частицах воздуха, газовых примесей и аэрозоля. У поверхности Земли спектр солнечного излучения ограничен 0,29–2,0 мкм, а интенсивность существенно снижена в зависимости от содержания примесей, высоты над уровнем моря и облачности. До земной поверхности доходит прямая радиация, ослабленная при прохождении сквозь атмосферу, а также рассеянная, образовавшаяся при рассеянии прямой в атмосфере.
Часть прямой солнечной радиации отражается от земной поверхности и облаков и уходит в космос; рассеянная радиация также частично уходит в космос. Остальная солнечная радиация в осн. переходит в тепло, нагревая земную поверхность и частично воздух. Солнечная радиация, т. обр., представляет собой одну из осн. составляющих радиационного баланса.
До того, как солнечное излучение достигнет поверхности, оно проделает длинный путь через земную атмосферу, где будет не только рассеяно и ослаблено, но и изменено по спектральному составу. В результате дошедшая до места наблюдения (земной поверхности) в виде параллельных лучей от Солнца так называемая прямая солнечная радиация будет как количественно, так и качественно отлична от солнечной радиации за пределами атмосферы [1]. Солнечная (коротковолновая) радиация преобразуется, проходя через атмосферу, в следующие виды радиации: рассеянную (ввиду наличия в атмосфере различных ионов и молекул газов, частиц пыли происходит рассеяние прямой солнечной энергии во все стороны; часть рассеянной энергии доходит до поверхности Земли), отраженную (часть попавшей в атмосферу и на земную поверхность энергии отражается обратно), поглощенную (происходит диссоциация и ионизация молекул верхних слоях атмосферы, нагрев воздуха и самой земной поверхности, тех предметов, которые на ней находятся).
Вследствие рассеяния и поглощения солнечная радиация, достигающая земли, меньше радиации за пределами земной атмосферы. Понижение интенсивности зависит от атмосферных условий (числа частиц пыли, водяного пара, содержания озона, атмосферного давления и т.д.) и высоты солнца, определяющей расстояние в атмосфере, которое должен пройти солнечный луч, перед тем как попасть на поверхность земли. Если высота солнца небольшая, путь луча длинный. Если солнце находится в зените, солнечный луч проходит близкий к вертикальному, самый короткий путь сквозь атмосферу. Длина пути солнечного луча через атмосферу определяется термином «масса воздуха» (m). Масса возхдуха равна единице, когда солнце находится в зените, то есть когда Al=90?. В общем виде длина солнечного луча m =————————————————- . вертикальная глубина атмосферы Иными словами, m=cosek Al (рис.3).
Рис.1. Распределение энергии в спектре солнечной радиации на границе атмосферы: 1- по данным 1903-1910 гг.
, 2 – 1920-1922 гг., 3 – 1917 г., 4 – абсолютно черное тело при температуре 57130К.
Солнечное излучение, проходя через атмосферу, ослабляется благодаря эффектам рассеяния и поглощения. Для потоков лучистой энергии атмосфера в видимой части спектра является мутной средой, т.е. рассеивающей, а в ультрафиолетовой и инфракрасной – поглощающей и рассеивающей. Световой поток поглощается в атмосфере, причем количество энергии, дошедшей до поверхности Земли, можно найти из закона Бугера (закон ослабления света):
I=I0*exp(-
)[3] (2),
где I0 – интенсивность падающего излучения (на границе атмосферы), Z0£ 750 (плоско-параллельная модель атмосферы), H – путь, пройденный светом до земной поверхности, k(h)- коэффициент поглощения (ослабления) светового потока, зависящий от высотного распределения плотности, состава атмосферы, физических и химических свойств газов, частиц, находящихся в атмосфере (рис.2.[1]).
Альбедо – доля солнечной радиации, отраженная объектом (обычно выражается в процентах или долях единицы).
Альбедо свежевыпавшего снега может достигать 0,81, альбедо облаков в зависимости от типа и вертикальной мощности колеблется от 0,17 до 0,81. Альбедо темного сухого песка – ок. 0,18, зеленого леса – от 0,03 до 0,10. Альбедо крупных акваторий зависит от высоты Солнца над горизонтом: чем оно выше, тем меньше альбедо. Альбедо Земли вместе с атмосферой изменяется в зависимости от облачности и площади снежного покрова. Из всей солнечной радиации, поступающей на нашу планету, ок. 0,34 отражается в космическое пространство и теряется для системы Земля – атмосфера.
Поглощение атмосферой.Около 19% солнечной радиации, поступающей на Землю, поглощается атмосферой (по осредненным оценкам для всех широт и всех времен года). В верхних слоях атмосферы ультрафиолетовое излучение поглощается преимущественно кислородом и озоном, а в нижних слоях красная и инфракрасная радиация (длина волны более 630 нм) поглощается в основном водяным паром и в меньшей степени – углекислым газом.
Поглощение поверхностью Земли.
Около 34% приходящей на верхнюю границу атмосферы прямой солнечной радиации отражается в космическое пространство, а 47% проходит сквозь атмосферу и поглощается земной поверхностью. Изменение поглощаемого земной поверхностью количества энергии в зависимости от широты показано в табл. 2 и выражено через среднегодовое количество энергии (в ваттах), поглощенное за сутки горизонтальной поверхностью площадью 1 кв.м. Разность среднегодового прихода солнечной радиации к верхней границе атмосферы за сутки и радиации, поступившей на земную поверхность при отсутствии облачности на разных широтах, показывает ее потери под влиянием различных атмосферных факторов (кроме облачности). Эти потери повсеместно составляют примерно одну треть от поступающей солнечной радиации.
Таблица 2.
СРЕДНЕГОДОВОЕ ПОСТУПЛЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА ГОРИЗОНТАЛЬНУЮ ПОВЕРХНОСТЬВ СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ
(Вт/м2 в сутки)
Широта, °с.ш. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Приход радиации
на внешней границе
атмосферы 403 397 380 352 317 273 222 192 175 167
Приход радиации на
земную поверхность
при ясном небе 270 267 260 246 221 191 154 131 116 106
Приход радиации на
земную поверхность при
средней облачности 194 203 214 208 170 131 97 76 70 71
Радиация, поглощенная
земной
поверхностью 181 187 193 185 153 119 88 64 45 31
Разница между величиной прихода солнечной радиации к верхней границе атмосферы и величиной ее прихода на земную поверхность при средней облачности, обусловленная потерями радиации в атмосфере, существенно зависит от географической широты: 52% на экваторе, 41% на 30° с.
ш. и 57% на 60° с.ш. Это прямое следствие количественного изменения облачности с широтой. Из-за особенностей циркуляции атмосферы в Северном полушарии количество облаков минимально на широте ок. 30°. Влияние облачности столь велико, что максимум энергии доходит до земной поверхности не на экваторе, а в субтропических широтах.
Разница между количеством радиации, приходящей на земную поверхность, и количеством поглощенной радиации образуется только за счет альбедо, которое особенно велико в высоких широтах и обусловлено большой отражательной способностью снежного и ледяного покрова.
Из всей солнечной энергии, используемой системой Земля – атмосфера, менее одной трети непосредственно поглощается атмосферой, а основную часть энергии она получает отраженной от земной поверхности. Больше всего солнечной энергии поступает в районы, расположенные в низких широтах.
Излучение Земли.Несмотря на непрерывный приток солнечной энергии в атмосферу и на земную поверхность, средняя температура Земли и атмосферы довольно постоянна.
Причина этого заключается в том, что почти такое же количество энергии излучается Землей и ее атмосферой в космическое пространство, в основном в виде инфракрасной радиации, поскольку Земля и ее атмосфера намного холоднее, чем Солнце, и лишь малая доля – в видимой части спектра. Излучаемая инфракрасная радиация регистрируется метеорологическими спутниками, оборудованными специальной аппаратурой. Многие спутниковые синоптические карты, демонстрируемые по телевидению, представляют собой снимки в инфракрасных лучах и отображают излучение тепла земной поверхностью и облаками.
География – 9
Годовое количество солнечной радиации, как правило, уменьшается от равнин к среднегорьям, что связано с увеличением облачности. Однако от среднегорий к высокогорьям количество радиации вновь возрастает, так как в высокогорьях гораздо меньшая облачность.
Количество прямой и рассеянной солнечной радиации и ее изменение в течение года учитывается в разных сферах жизнедеятельности человека, особенно в
земледелии.
Прямая солнечная радиация – источник витамина Д в организме
человека. От солнечной энергии зависит продуктивность растений.
- Хлопок очень требователен к солнечному теплу. Его листья всегда пер-
пендикулярны солнечным лучам, что позволяет им получать больше сол-
нечной энергии. Ряды хлопка на полях вытянуты с запада на восток. Бла-
годаря этому кусты в полдень получают достаточное количество света и
тепла. Практика показывает, что на кустах, оказавшихся в тени, образуется
в среднем 23 коробочки хлопка, а на кустах под солнцем – 34 коробочки.
Избыток солнечной радиации может привести к отрицательным последствиям.
У тех, кто работает на открытом пространстве, часто случаются солнечные удары.
Поэтому на строительстве дорог, уборке урожая работают по особому графику.
Часть солнечной радиации, достигшей земли, отражается. Остальная часть, в зависимости от оттенка поверхности и ее теплоемкости, расходуется на нагревание земли, испарение. Очень высокую теплоемкость имеет вода. Она поглощает 95% тепла, а отражает всего 5%.
Работа с изображением
Обсудите:| – | Если бы лед имел такую же теплоемкость, как и вода, какие бы изменения произошли на земном шаре? |
Количество отраженной солнечной радиации зависит от характера подстилающей поверхности (песок, травянистый покров и т.
д.). Способность суши и
водной
Контрольная работа по теме “Климат”, 8 класс.
Контрольная работа по теме «Климат»
Вариант 1.
1. Место в России, где зафиксирован абсолютный максимум температуры воздуха.
А) Сочи Б) Астрахань В) Волгоград Г) Краснодар
2. Тепловой режим не зависит от (2 варианта ответа):
А) широты места Б) долготы места В) прозрачности атмосферы Г) часового пояса
3. Отражённая солнечная радиация – это:
А) излучение Солнцем тепла и света
Б) общее количество солнечной энергии, достигшей поверхности Земли
В) часть суммарной солнечной радиации, отражённой от поверхности Земли
Г) часть суммарной солнечной радиации, поглощённой земной поверхностью, от которой нагреваются приземные слои воздуха
4.
Обширная область высокого давления, образующаяся над внутренними районами Азии и оказывающая большое влияние на климат России зимой:
А) Алеутский минимум Б) Азорский максимум В) Азиатский минимум Г) Азиатский максимум
5. Воздушные массы Атлантического океана наибольшее влияние оказывают на:
А) европейскую часть России Б) юг России В) азиатскую часть России Г) север России
6. Какой признак не относится к циклону?
А) пониженное давление Б) воздух в вихре движется от периферии к центру
В) погода ветреная с осадками Г) погода характерна для зимы Восточной Сибири
7. Определите тип климата по описанию.
Климат характерен для центральных и южных районов Восточной Сибири. Круглый год формируется под воздействием континентального умеренного воздуха. Лето тёплое и солнечное, зима очень холодная и суровая. Осадков весь год выпадает мало.
А) умеренно континентальный Б) резко континентальный
В) субарктический Г) умеренный муссонный
8.
Атмосферный фронт, формирующийся в зоне раздела умеренных и тропических воздушных масс:
А) полярный Б) арктический В) тёплый Г) холодный
9. Наибольшее количество осадков на территории России выпадает:
А) на берегу моря Лаптевых Б) над Западно-Сибирской низменностью
В) на берегу Тихого океана В) над Прикаспийской низменностью
10. При устойчивой антициклонной погоде могут возникать стихийные бедствия, связанные с атмосферой:
А) град Б) засуха В) наводнение Г) ураган
11. Установите соответствие между термином и понятием.
Понятие | Термин |
1. Свойства климата, позволяющие выращивать различные сельскохозяйственные культуры | А) испаряемость |
2. Общая величина солнечной радиации, достигающей земной поверхности | Б) суммарная солнечная радиация |
3. | В) агроклиматические ресурсы |
4. Возможное испарение с открытой поверхности воды при данной температуре | Г) комфортность климата |
5. Степень благоприятности климата для нормальной жизнедеятельности человека | Д) трансформация |
Изменение воздушными массами своих свойств под влиянием подстилающей поверхности той местности, над которой они перемещаются.Контрольная работа по теме «Климат»
Вариант 2.
1. Место в России, где зафиксирован абсолютный минимум температуры воздуха.
А) Северная Земля Б) Верхоянск В) Магадан В) Якутск
2. Лучше всего отражает солнечную радиацию:
А) влажный чернозём Б) леса и поля В) снег и лёд Г) вода
3. Суммарная солнечная радиация – это:
А) излучение Солнцем тепла и света
Б) общее количество солнечной энергии, достигшей поверхности Земли
В) часть суммарной солнечной радиации, отражённой от поверхности Земли
Г) часть суммарной солнечной радиации, поглощённой земной поверхностью, от которой нагреваются приземные слои воздуха
4.
Обширная область устойчивого повышенного давления над Северным Ледовитым океаном, влияющая на климат в России и в холодный, и в тёплый периоды года:
А) Арктический максимум Б) Алеутский минимум В) Азиатский минимум Г) Азиатский максимум
5. Континентальность климата в России уменьшается при движении:
А) с севера на юг Б) с запада на восток В) с юга на север Г) с востока на запад
6. Какой признак не относится к антициклону?
А) погода ясная, без осадков Б) вихрь закручивается по часовой стрелке
В) пониженное давление в центра вихря Г) воздух движется от центра к периферии
7. Определите тип климата по описанию.
Климат характерен для южной части Дальнего Востока и побережья Охотского моря. Формируется под влиянием морского воздуха, приходящего летом с Тихого океана, а зимой – континентального воздуха с материка. Лето тёплое и влажное, зима холодная и сухая.
А) умеренно континентальный Б) резко континентальный
В) субарктический Г) умеренный муссонный
8.
Атмосферный фронт, образующийся при перемещении тёплого воздуха в сторону холодного:
А) полярный Б) арктический В) тёплый Г) холодный
9. Наибольший недостаток влаги в России испытывает территория:
А) Южный Урал Б) Западно-Сибирская низменность
В) Среднесибирское плоскогорье Г) Прикаспийская низменность
10. При возникновении мощного циклона не могут возникать стихийные бедствия, связанные с атмосферой (2 варианта ответа):
А) пыльная буря Б) засуха В) наводнение Г) ураган
11. Установите соответствие между термином и понятием.
Понятие | Термин |
1. Преобразованная часть солнечной энергии, поглощённая поверхностью Земли от которой нагреваются приземные слои воздуха | А) западный перенос |
2. Показатель, характеризующий степень обеспеченности данной территории влагой. | Б) атмосферный фронт |
3. Радиация, приходящая к земной поверхности непосредственно от Солнца в виде пучка параллельных лучей | В) прямая солнечная радиация |
4. Переходная зона между воздушными массами с разными свойствами | Г) тепловое излучение |
5. Постоянные ветры, дующие в умеренных широтах с запада на восток | Д) коэффициент увлажнения |
Формула климата
Формула климата
Что нагревает и что охлаждает климат на планете Земля
Солнце в небе, вода и растительность на нашей планете являются тремя основными факторами, определяющими климат на Земле. Еще важна транспортная функция атмосферного воздуха и океанских вод.
Всем остальным вполне можно пренебречь, поскольку его влияние на глобальный климат пренебрежимо мало.
Лёд и пламень
Количество солнечной энергии, попадающей на планету Земля, является величиной постоянной, эта физическая величина так и называется – “Солнечная постоянная“. Как и подобает величине постоянной, солнечное излучение не может приводить к изменениям климата, поскольку оно в обозримых временных пределах существенным образом не изменяется.
Значительная часть солнечной энергии отражается обратно в космос парниковыми газами, содержащимися в атмосфере. Да-да! Именно теми самыми парниковыми газами о вреде которых для климата Земли мы часто слышим от адептов антропогенной концепции глобального потепления.
Фигура 1. Спектр излучения Солнца, достигающего поверхности Земли на уровне мирового океана
На диаграмме красным цветом выделена спектральная интенсивность излучения Солнца на поверхности Земли и мирового океана.
Как видим, интенсивность излучения снижена во всем диапазоне частот. Кроме того в инфракрасном участке спектра образовались разрывы непрерывности (провалы) интенсивности излучения. Синим цветом написаны формулы парниковых газов, которые отразили всю или почти всю солнечную энергию в этих участках спектра.А достигшая поверхности Земли энергия Солнца подвергается дальнейшим преобразованиям:
-
часть энергии отражается от элементов земной поверхности: снега и льда, покрывающих сушу и океан, растительности, грунтов, воды и возвращается обратно в космос;
-
часть энергии утилизируется на Земле путем фотосинтеза и других эндотермических процессов – среди них основные – таяние снега и льда, а также испарение воды;
-
остальная энергия освещает и нагревает нашу планету в дневное время суток, а в ночное время значительная часть накопленной за день тепловой энергии конвекционными потоками воздуха поднимается в верхние слои атмосферы и там растворяется в космосе.
Таким образом, есть три переменные, которые оказывают определяющее влияние на климат Земли – это отражение солнечной энергии, её утилизация и остаточное нагревание нашей планеты.
И, обратите внимание, что все три переменные имеют совершенно земную природу, то есть являются свойствами нашей планеты.
Второе важное следствие состоит в том, что излучение Солнца не может охлаждать нашу планету. Оно может только постоянно нагревать её в большей или меньшей степени (вспомним о “солнечной постоянной“).
Всё имеет свое место
Итак, мы видим, что все процессы, способные изменять климат на Земле, имеют внутреннее – планетарное – происхождение. Во всяком случае до тех пор пока не изменится “Солнечная постоянная”.
Но в отличие от космического вакуума, наша планета представляет собой совокупность плотных сред – атмосфера, земная кора, океаны. В свою очередь твердь земная может быть покрыта льдом, песками или растительностью.
Поверхность океана тоже может покрываться льдами.
Image: NASA illustration by Robert Simmon
Фигура 2. Распределение Солнечной энергии, поступающей к Земле
Из 340 ватт на квадратный метр солнечной энергии, которая падает на Землю, 29% отражается обратно в космос, главным образом, облаками, но также и другими яркими поверхностями и самой атмосферой. Около 23% поступающей энергии поглощается в атмосфере атмосферными газами, пылью и другими частицами. Оставшиеся 48% поглощаются на поверхности.
За исключением атмосферы (кроме парниковых газов и пыли), поверхность Земли не прозрачна для электромагнитных волн солнечного излучения. Сталкиваясь с поверхностью Земли, электромагнитные волны частично ею отражаются, частично утилизируются (фотосинтез, таяние, испарение и прочие эндотермические процессы), а остальные преобразуются в другие виды энергии, в результате чего выделяется тепло и возникает новый параметр – температура земных сред.
Вот только с этого места мы можем начать говорить о климате, когда электромагнитные волны преобразовались в тепло и возник теплооборот – основополагающее понятие для климата.
Рождение климата
Исходя из сказанного, формула климата может иметь примерно такой вид:
E(климата) = E(Солнца) – E(отражения) – E(утилизации)
Здесь:
-
E(климата) – часть энергии, которая формирует климат;
-
E(Солнца) – энергия, поступающая к Земле от Солнца;
-
E(отражения) – часть солнечной энергии, которая отражается атмосферой и поверхностью Земли;
-
E(утилизации) – часть солнечной энергии, которая утилизируется на поверхности Земли.
Энергия Солнца, “работающая” на изменение климата, это та часть энергии Солнца, которую Земля не может отразить или утилизировать (использовать).
Эта часть энергии увеличивает температуру (нагревает) поверхность планеты и её атмосферу в большей или меньшей степени, но ни когда не охлаждает.
В отличие от солнечной радиации, которая является величиной постоянной и, более того, имеет всегда только положительное значение (пока светит Солнце), температура на Земле может быть как величиной положительной, так и величиной отрицательной. Это подразделение температур на “плюс” и “минус” – вещь очень условная, но в шкале Цельсия, где за “ноль” принята температура таяния льда, содержится важная климатическая логика.
Ледяная логика климата
Лёд и снег – твердая вода – отражают до 90% попадающей на них солнечной энергии. В то время, как жидкая вода (поверхности морей и океанов) отражают только 9% энергии Солнца.
Таким образом, переход воды из твердого в жидкое состояние и наоборот, оказывает очень сильное влияние на климат планеты.
Более того, лёд и снег являются хранилищем (аккумулятором) холода на планете, а жидкая вода, поглощающая до 90% попадающей на неё солнечной энергии является аккумулятором тепла.
Чем больше льда и снега на планете (твердой воды), тем холоднее климат за счет того, что лед и снег отражают и утилизируют в процессе таяния значительную часть попадающей на них солнечной энергии. Затем холод льда разносится потоками ветра и воды по всей планете, участвуя таким образом в формировании глобального климата.
Image: wikipedia
Фигура 3. График изменения средней годовой температуры на планете за последние 500 миллионов лет
На этом графике показана реконструкция изменений среднегодовой температуры на планете в сравнении со среднегодовой температурой 1960-1990 годов, которая здесь принята за ноль (черная линия). На оси времени древние периоды показаны в миллионах лет. Последний миллион лет разбит на тысячелетия.
Так будет до тех пор, пока на планете существует лёд.
Если весь лёд растает, Земля будет охлаждаться только меридиональными океанскими течениями и конвекционными потоками в атмосфере. Со временем сложится новое стабильное энергетическое состояние планеты, подобное эпохе Миоцена, а возможно и Эоцена.
Автор: Сергей Просветов
Просмотров всего: 3533 Просмотров сегодня: 4
Основы солнечного излучения | Министерство энергетики
Солнечное излучение , часто называемое солнечным ресурсом или просто солнечным светом, является общим термином для электромагнитного излучения, излучаемого солнцем. Солнечное излучение можно улавливать и превращать в полезные формы энергии, такие как тепло и электричество, с помощью различных технологий.
Однако техническая осуществимость и экономическая эксплуатация этих технологий в конкретном месте зависит от доступных солнечных ресурсов.
Основные принципы
Каждое место на Земле получает солнечный свет, по крайней мере, часть года.Количество солнечной радиации, достигающей любой точки на поверхности Земли, варьируется в зависимости от:
- Географического положения
- Времени дня
- Сезона
- Местного ландшафта
- Местной погоды.
Поскольку Земля круглая, солнце падает на поверхность под разными углами, в диапазоне от 0 ° (чуть выше горизонта) до 90 ° (прямо над головой). Когда солнечные лучи вертикальны, поверхность Земли получает всю возможную энергию. Чем больше наклонены солнечные лучи, тем дольше они проходят через атмосферу, становясь более рассеянными и рассеянными.Поскольку Земля круглая, в холодных полярных регионах никогда не бывает высокого солнца, а из-за наклона оси вращения эти области вообще не получают солнца в течение части года.
Земля вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите и в определенное время года находится ближе к Солнцу. Когда Солнце приближается к Земле, поверхность Земли получает немного больше солнечной энергии. Земля ближе к Солнцу, когда в южном полушарии лето, а в северном – зима.Однако наличие обширных океанов смягчает более жаркое лето и более холодную зиму, которые можно было бы ожидать увидеть в южном полушарии в результате этой разницы.
Наклон оси вращения Земли на 23,5 ° является более важным фактором при определении количества солнечного света, падающего на Землю в конкретном месте. Наклон приводит к увеличению продолжительности дней в северном полушарии от весеннего (весеннего) равноденствия до осеннего (осеннего) равноденствия и к увеличению продолжительности дней в южном полушарии в течение остальных 6 месяцев.Дни и ночи длятся ровно 12 часов в дни равноденствий, которые происходят каждый год примерно 23 марта и 22 сентября.
Такие страны, как Соединенные Штаты, которые расположены в средних широтах, получают больше солнечной энергии летом, а не только потому, что дни длиннее, но еще и потому, что солнце находится почти над головой.
Солнечные лучи гораздо более наклонены в более короткие дни зимних месяцев. Такие города, как Денвер, Колорадо (около 40 ° широты), получают почти в три раза больше солнечной энергии в июне, чем в декабре.
Вращение Земли также отвечает за часовые колебания солнечного света. Ранним утром и ближе к вечеру солнце садится низко. Его лучи проходят через атмосферу дальше, чем в полдень, когда солнце находится в самой высокой точке. В ясный день наибольшее количество солнечной энергии достигает солнечного коллектора около солнечного полудня.
Рассеянное и прямое солнечное излучение
Когда солнечный свет проходит через атмосферу, часть его поглощается, рассеивается и отражается:
- Молекулами воздуха
- Водяной пар
- Облака
- Пыль
- Загрязняющие вещества
- Лесные пожары
- Вулканы.
Это называется диффузное солнечное излучение . Солнечное излучение, которое достигает поверхности Земли, не рассеиваясь, называется прямым лучом солнечного излучения .
Сумма рассеянной и прямой солнечной радиации называется глобальной солнечной радиацией . Атмосферные условия могут снизить прямое излучение луча на 10% в ясные сухие дни и на 100% в пасмурные дни.
Измерение
Ученые измеряют количество солнечного света, падающего на определенные места в разное время года.Затем они оценивают количество солнечного света, падающего на регионы на той же широте с аналогичным климатом. Измерения солнечной энергии обычно выражаются как общее излучение на горизонтальной поверхности или как общее излучение на поверхности, отслеживающей солнце.
Данные о радиации для солнечных электрических (фотоэлектрических) систем часто представлены в киловатт-часах на квадратный метр (кВтч / м 2 ). Прямые оценки солнечной энергии также могут быть выражены в ваттах на квадратный метр (Вт / м 2 ).
Данные о радиации для солнечных водонагревателей и систем отопления помещений обычно представлены в британских тепловых единицах на квадратный фут (БТЕ / фут 2 ).
Распределение
Солнечных ресурсов в Соединенных Штатах достаточно для фотоэлектрических (PV) систем, поскольку они используют как прямой, так и рассеянный солнечный свет. Другие технологии могут быть более ограниченными. Однако количество энергии, генерируемой любой солнечной технологией на определенном участке, зависит от того, сколько солнечной энергии достигает его.Таким образом, солнечные технологии наиболее эффективно работают на юго-западе США, который получает наибольшее количество солнечной энергии.
Карты ресурсов солнечной энергии
Просмотр карт солнечных ресурсов как для фотоэлектрической, так и для концентрированной солнечно-тепловой энергии.
Дополнительная информация
Узнайте больше о том, как работает солнечная энергия, и о солнечных батареях и программах концентрации солнечно-тепловой энергии.
Главная »Солнечные информационные ресурсы» Основы солнечного излучения
Солнечная энергия – объяснение науки
Земля получает от Солнца больше энергии за один час, чем все человечество потребляет за год.
В этом посте я расскажу о некоторых научных фактах, лежащих в основе этого интересного факта, а также расскажу о том, как солнечная энергия может стать для нас более важной в будущем.
Сколько солнечной энергии попадает на Землю?
Солнце генерирует энергию за счет ядерных реакций, которые происходят в его плотном горячем ядре. Оно производит массивные 382,8 триллиона триллионов (3,828 x 10 26 ) ватт электромагнитного излучения (Williams 2018), в основном в виде видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового. .По мере удаления от Солнца интенсивность (мощность на единицу площади) его излучения падает.
Солнечная постоянная . – это интенсивность солнечного излучения на расстоянии 1 астрономическая единица (среднее расстояние Земли от Солнца). Ему присвоено значение 1361 Вт на квадратный метр ( Вт / м 2 ). Однако, поскольку световой поток Солнца немного меняется, он колеблется на 0,1% вокруг этого значения.
Как показано выше, площадь диска того же диаметра, что и у Земли, составляет 127 480 000 000 000 (1.2748 x 10 14 ) квадратных метров. Итак, полная энергия, попадающая на Землю за один час, равна
.солнечная постоянная x площадь поверхности диска размером с Землю
1361 Вт / м 2 x 1,2748 x 10 14 м 2 = 1,73 x 10 17 ватт-часов.
(Эта цифра часто выражается как 173000 тераватт-часов (ТВтч), где 1 тераватт равен 1 триллиону (1000000000000) ватт)
Общее количество энергии, потребленной человечеством в 2017 году, немного меньше этого показателя – 160000 ТВтч (Enerdata 2018).Эта цифра включает не только энергию, используемую для производства электроэнергии, но также энергию, используемую непосредственно для отопления (например, при сжигании дров, угля, нефти или газа), используемую для транспорта (в основном бензин, дизельное и авиационное топливо) и энергию, используемую в промышленных процессах .
Общий объем потребленной электроэнергии в 2017 году составил около 22000 ТВтч.
Потенциал солнечной энергии.
Есть два разных способа получения электричества из солнечного света. Один из способов – с помощью зеркал сконцентрировать энергию Солнца на небольшой площади и использовать выделяемое тепло для производства пара для вращения турбины, вырабатывающей электричество.Другой способ – использовать массивы фотоэлектрических элементов (более известных как солнечные панели) для выработки электроэнергии непосредственно из солнечного света.
Фотография сделана из космоса солнечной фермы Топаз в Калифорнии . Он занимает площадь 19 км. 2 (не все из которых покрыты солнечными батареями) и вырабатывает около 1,25 ТВтч электроэнергии в год.
Большая часть солнечной электроэнергии вырабатывается таким образом, большая часть ее производится на солнечных фермах, подобных показанной выше в Калифорнии.
Поскольку цены на солнечные панели продолжают падать, а их эффективность растет, этот вид солнечной энергии будет расти.
Рост солнечной энергии ( Наш мир в данных 2018)
Одним из преимуществ солнечной энергии перед другими формами энергии является то, что она имеет почти неограниченный потенциал из-за огромного количества энергии, поступающей на Землю от Солнца. Как я покажу дальше, необходимо будет покрыть солнечными панелями только относительно небольшую часть поверхности Земли, чтобы удовлетворить все потребности человечества в энергии.
Чтобы рассчитать размер этой области, первое, что нам нужно учитывать, – это количество солнечной радиации, которая действительно достигает поверхности Земли. Хотя солнечная постоянная составляет 1361 Вт / м 2 , это интенсивность излучения, которое достигает верхних слоев атмосферы Земли. Даже в безоблачный день не вся эта радиация достигает земли; некоторые отражаются обратно в космос, а некоторые поглощаются атмосферой.
В ясный день, если Солнце находится прямо над головой, интенсивность излучения, падающего на землю непосредственно от Солнца , составляет около 1050 Вт / м 2 , плюс еще 70 Вт / м 2 исходит из ярко-синего неба, давая в общей сложности 1120 Вт / м 2 . (В пасмурную погоду цифра будет меньше.)
Фактически, Солнце может находиться прямо над головой только в тропиках. Как показано ниже, когда Солнце находится ниже в небе, интенсивность солнечного излучения снижается, потому что его лучи распространяются на большую площадь и потому, что они должны пройти через большую часть атмосферы, прежде чем упадут на землю. Ночью, когда Солнце находится ниже горизонта, солнечная интенсивность явно равна нулю.
На приведенной выше диаграмме показано изменение интенсивности солнечного излучения на экваторе во время равноденствия, когда Солнце находится прямо над головой в полдень.
На оси времени используется солнечное время, т. Е. Солнце восходит в 06:00, находится на максимуме в 12:00 и заходит в 18:00. Предполагается, что день безоблачный.
Если мы усредним за весь 24-часовой цикл, количество солнечной радиации, попадающей на поверхность Земли (известное как солнечное излучение) в ясный день на экваторе во время равноденствия, составит примерно 340 Вт / м 2 . Самые эффективные солнечные панели на рынке преобразуют примерно 22% солнечного излучения в электрическую энергию.Это означает, что в среднем за весь 24-часовой цикл солнечная электрическая мощность, которая может быть произведена, составляет 73 Вт / м 2 , что составляет примерно 5% солнечной постоянной. В более высоких широтах Солнце находится ниже в небе, поэтому количество солнечной электроэнергии, которая может быть произведена, меньше. Количество солнечной энергии уменьшается из-за облачности. Например, на облачном северо-западе Шотландии солнечное излучение в среднем за год составляет всего 72 Вт / м 2 , что составляет примерно одну пятую его значения на экваторе .
Если усреднить за 12 месяцев и по всем точкам на поверхности Земли, то средняя солнечная освещенность составляет 170 Вт / м. 2 . Это означает, что нам нужно будет покрыть солнечными батареями 586 000 квадратных километров поверхности Земли, чтобы обеспечить все мировые потребности в энергии, что примерно на 15% больше, чем в Испании. Подробности расчета приведены в примечаниях внизу этой публикации. Это число относительно невелико, всего 0,11% площади поверхности Земли. Однако одна проблема заключается в том, что страны, которые могут генерировать больше всего солнечной энергии (особенно в Африке), на самом деле имеют умеренное потребление энергии, а многие густонаселенные страны, особенно в Северной Европе, имеют высокое потребление энергии и получают относительно мало солнечного света.Например, если мы возьмем Великобританию, которая имеет небольшую площадь поверхности, получает сравнительно мало солнечного света по сравнению со средним в мире и густонаселенную с высоким потреблением энергии, нам нужно будет покрыть около 5,2% ее поверхности солнечными лучами.
панели, что было бы сложно. Интересно, что Великобритания идеально расположена для оффшорных ветряных электростанций, и к 2030 году она планирует производить 30% своей электроэнергии таким образом.
Малая солнечная энергия
На данный момент солнечная энергия не самый крупный возобновляемый источник электроэнергии.Как показано на диаграмме ниже, в 2016 году возобновляемые источники энергии выработали в общей сложности 5 877 ТВт-ч. Из них подавляющее большинство (4 023 ТВт-ч) было произведено за счет гидроэлектроэнергии, за которым следуют 960 ТВт-ч за счет ветра; солнечная энергия внесла 333 ТВтч, а остальные 561 ТВтч за счет всех других возобновляемых источников энергии вместе взятых.
Из «Наш мир в данных» (2018 ): данные не включают так называемое «традиционное биотопливо», например горящая древесина, которая может быть возобновляемой или не возобновляемой
Одним из явных преимуществ солнечной энергии является то, что ее можно производить в небольших масштабах.
Одна панель площадью четыре квадратных метра, прикрепленная к перезаряжаемой батарее, могла бы генерировать и хранить достаточно солнечной энергии для освещения и приготовления пищи для семьи в Африке. Солнечные панели не имеют движущихся частей и после покупки должны работать десятилетиями. Именно эта способность производить электричество в небольших масштабах может революционизировать жизнь некоторых из беднейших людей в мире, идея, которую я буду обсуждать далее в моем следующем посте.
Надеюсь, вам понравился этот пост.Чтобы узнать больше о блоге Science Geek, нажмите здесь или по ссылке Science Geek Home в верхней части этой страницы.
Банкноты
Наклоняемые солнечные панели
Для небольших солнечных установок обычно повышают среднюю интенсивность солнечного света, наклоняя панель к Солнцу. Например, небольшие группы солнечных панелей в Великобритании часто наклонены на юг.
Совершенно очевидно, что это сложно сделать для очень больших массивов солнечных панелей, используемых на солнечных фермах.
Расчет площади для (а) Земли и (б) Великобритании для выработки всей энергии с помощью солнечных батарей
Примечание к расчету: В любой большой конструкции, вырабатывающей солнечную электроэнергию, между солнечными панелями должны быть промежутки. В этих расчетах я предположил, что одна шестая площади солнечной фермы / большого массива солнечных панелей составляет , а не , покрытые панелями.
Расчет для Земли
Расчет для Великобритании
Данные от Science Direct (2014) и Enerdata (2018)
Список литературы
Enerdata (2018) Глобальный энергетический статистический ежегодник 2018, Доступно по адресу: https: // Annualbook.enerdata.net/total-energy/world-consuming-statistics.html (дата обращения: 23 февраля 2019 г.
).
Наш мир в данных (2018) Глобальное потребление возобновляемой энергии в долгосрочной перспективе, Доступно по адресу: https://ourworldindata.org/renewable-energy (дата обращения: 23 февраля 2019 г.).
Science Direct (2014) Ресурсы солнечной энергии в Великобритании и влияние изменения климата, Доступно по адресу: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960148114002857 (дата обращения: 23 февраля 2019 г.) ).
Уильямс, Д. Р. (2018) Информационный бюллетень NASA Sun, Доступно по адресу: https://nssdc.gsfc.nasa.gov/planetary/factsheet/sunfact.html (дата обращения: 8 марта 2019 г.).
Нравится:
Нравится Загрузка …
СвязанныеИспользование солнечной энергии.
Использование солнечной энергии.
24 сентября 2018 г. Сосредоточившись строго на использовании солнечной энергии, следует сказать, что не вся энергия, поступающая от Солнца на Землю, может быть использована.
Лишь 47% солнечной энергии достигает поверхности Земли, что составляет меньшую долю всей доступной энергии за пределами атмосферы, которую любой может вычесть. И почему не приходит 100% энергии? Какие препятствия заставляют нас терять эту ценную энергию? Во-первых, мы должны рассматривать это как естественный процесс, а во-вторых, при произведенных количествах энергии «было бы более чем достаточно», поэтому не следует сосредотачиваться на «потерях энергии». Солнечная энергия подвергается трем воздействиям и / или процессам: до, во время и при прохождении через атмосферу.
- Распространение
- Поглощение
- Отражение
Изначально обращая внимание на энергию, которая успевает достичь физической земли, нужно сказать, что эти 47% поглощаются земной поверхностью, а затем происходит ее нагревание. Этот эффект потепления ответственен, например, за испарение воды из океанов, озер, рек, а также за остальную часть гидрологического цикла. Крошечный процент этой энергии, всего 0,2%, вызывает атмосферные движения и морские течения.
Для сравнения, кинетическая энергия ветра преобразуется в электричество в ветряных электростанциях. Такой же показатель – 0,2% – используется при производстве живого вещества. Это основной природный процесс, позволяющий напрямую использовать солнечную энергию. Затем у нас есть распределение между прямой энергией, которая воздействует на поверхность земли (31%), и рассеянной энергией, которая также влияет на поверхность земли (16%).
До этого момента мы анализировали использование солнечной энергии. Остальные 53% не достигают поверхности Земли, потому что 30% отражаются в космическое пространство, или 23% поглощаются самой атмосферой, вызывая ее потепление.Изменение направления происходит, когда оно отражается от облаков, от земли или в результате диффузного преобразования, которое перенаправляет энергию обратно в космическое пространство.
Солнечная энергия, достигающая поверхности земли, должна быть преобразована в другой вид полезной энергии, которым, в большинстве случаев, является электрическая или тепловая энергия.
В соответствии с этим искусственные процессы использования солнечной энергии могут быть прямыми или косвенными процессами.
a) Первый выполняет единичный процесс преобразования энергии, чтобы сделать ее пригодной для использования, в случае получения тепловой энергии, такой же, как получение фотоэлектрической и фотоэлектрической энергии.
b) Однако в непрямых процессах солнечная энергия последовательно преобразуется в различные типы энергии, пока не будет достигнут необходимый режим для ее использования. Наиболее характерным примером этого косвенного процесса является энергия ветра. В первую очередь для этого использования солнечная энергия должна создавать тепловые различия в атмосфере, которые порождают ветер, и эта кинетическая энергия приводит в движение генераторы, где механическая энергия преобразуется в электричество.
Наконец, у нас есть два процесса преобразования: тепловая и электрическая энергия.
В первом случае солнечная энергия поглощается и преобразуется в тепло из-за отражательной способности поверхности объекта (чем меньше отражающая поверхность, тем больше поглощается энергия и тем больше выделяется тепло.
Что касается поглощающей способности, то она зависит в первую очередь от цвета поверхности (черные предметы поглощают все видимое излучение и по этой причине они быстрее нагреваются). И, наконец, есть падающее излучение, которое можно увеличить, например, с помощью системы слежения за солнцем или параболические отражатели.
Используемая в настоящее время технология требует использования искусственных устройств, называемых солнечными коллекторами. Это устройства, предназначенные для сбора энергии, полученной от солнца, и повышения температуры (на тепловом уровне) жидкости, стремясь использовать ее.
Коллекторы делятся на две большие группы: низкотемпературные коллекторы, используемые в основном в системах домашнего отопления, горячего водоснабжения и обогрева бассейнов, и высокотемпературные коллекторы, образованные зеркалами и обычно используемые для производства пара, который приводит в движение турбину, которая будет вырабатывать электроэнергию.В связи с этими данными вы можете ознакомиться со статьей: Estado actual de la energía Termosolar (CSP) a nivel global 24 de julio de 2018.
Что касается преобразования электрической энергии, необходимо сказать, что есть два технологических процесса, которые позволяют нам получать электрическую энергию непосредственно из электромагнитной энергии фотонов. С одной стороны, у нас есть фотоэлектрический эффект, который заключается в генерации электрического тока путем высвобождения электронов с поверхности металлов, когда фотоны достаточной энергии сталкиваются с ней, а с другой стороны, у нас есть фотоэлектрический эффект, который основан на свойстве определенных материалов, которые способны генерировать небольшую разность потенциалов (напряжение).
В качестве глоссария мы оставляем некоторые релевантные термины: Более подробная информация по этой ссылке:
Солнечное излучение (солнечное излучение) – это сумма двух уровней излучения (прямое излучение + диффузное излучение).
Прямое излучение – это излучение, которое достигает поверхности в горизонтальной плоскости, исходящее только от солнечного диска, без какого-либо процесса атмосферного рассеивания.
Рассеянное излучение (рассеянное солнечное излучение) Также достигает поверхности в горизонтальной плоскости, но исходит – в данном случае – от остальной части неба из-за процесса рассеяния, происходящего в атмосфере.Это означает, что излучение, которое достигает поверхности после рассеивания в атмосфере облаками, взвешенными частицами и молекулами, составляющими атмосферные газы, в то же время составляет в среднем – в условиях ясного неба – от 15 до 20% общее падающее поверхностное излучение или глобальное излучение.
Облучение (мощность излучения, падающего на поверхность). Он используется для определения количества энергии, приходящейся на область. Применительно к солнечной энергии это будет количество солнечного излучения (электромагнитных волн), которое падает на поверхность земли.Выражается в единицах энергии на единицу площади. Например, кВт / м2
Не путайте с Radiance, единицей мощности (используемой в радиометрии), которая определяет лучистый поток, излучаемый на единицу площади и на телесный угол.
Облучение (энергия на единицу площади за время). Выражается в единицах энергии / единице времени / единице площади. Например: кВт / ч / м2. Облучение – это излучение, связанное со временем. Солнечное излучение – это плотность солнечной энергии, которая падает на единицу площади поверхности (суши) в течение определенного времени.Обычно выражается в кВт / м2 / день.
Солнечное излучение и фотосинтетически активное излучение
Что такое солнечное излучение?
Солнечное излучение – это лучистая (электромагнитная) энергия солнца. Он обеспечивает Землю светом и теплом, а также энергией для фотосинтеза. Эта лучистая энергия необходима для метаболизма окружающей среды и ее обитателей 1 . Три соответствующих диапазона или диапазона в спектре солнечного излучения – это ультрафиолетовый, видимый (PAR) и инфракрасный.Из света, который достигает поверхности Земли, инфракрасное излучение составляет 49,4%, а видимый свет – 42,3%. 9 .
Ультрафиолетовое излучение составляет чуть более 8% от общей солнечной радиации. Каждая из этих полос по-разному влияет на окружающую среду.
Количество и интенсивность солнечной радиации, которую получает место или водоем, зависит от множества факторов.Эти факторы включают широту, время года, время суток, облачность и высоту. Не вся радиация, испускаемая Солнцем, достигает поверхности Земли. Большая его часть поглощается, отражается или рассеивается в атмосфере. На поверхности солнечная энергия может поглощаться непосредственно от солнца, это называется прямым излучением, или от света, который рассеивается при попадании в атмосферу, что называется непрямым излучением 1 .
Как измеряется солнечная радиация?
Циклы длин волн измеряются в нанометрах (нм) от пика к пику.
Чем короче длина волны, тем больше у нее энергии. Синий свет имеет больше энергии, чем красный свет.Солнечное излучение измеряется длинами волн или частотой. Поскольку свет распространяется в волне, длина волны определяется как расстояние от пика до пика и измеряется в нанометрах (нм). Частота определяется как длина волны в циклах в секунду и выражается в герцах (Гц). Полосы с более короткими длинами волн производят более высокие частоты. Аналогичным образом, чем длиннее длина волны, тем больше времени потребуется для завершения цикла, что дает более низкую частоту 1 .
Энергия длины волны увеличивается с увеличением частоты и уменьшается с увеличением длины волны 16 . Другими словами, более короткие волны более энергичны, чем более длинные. Это означает, что ультрафиолетовое излучение более энергично, чем инфракрасное излучение. Из-за этой дополнительной энергии более короткие волны имеют тенденцию причинять больший вред, чем более длинные волны 16 .
Чем больше энергии имеет длина волны, тем легче разрушить молекулу, которая ее поглощает. Ультрафиолетовый свет (обладающий самой высокой энергией) может вызвать повреждение ДНК и других важных клеточных структур 16 .
Что такое электромагнитный спектр?
Электромагнитный спектр охватывает все виды излучения 5 . Часть спектра, которая достигает Земли от Солнца, составляет от 100 нм до 1 мм. Этот диапазон разбит на три диапазона: ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение. Ультрафиолет содержит волны с длиной волны 100-400 нм. Видимый свет находится в диапазоне 400-700 нм, а инфракрасный свет имеет длины волн от 700 нм до более 1 мм 1 .В видимом спектре света цвета определяются длиной. Более длинные волны кажутся красными, а более короткие – синими / фиолетовыми, поскольку они находятся ближе к ультрафиолетовому спектру 5 .
Солнечный свет или спектр солнечного излучения включает полосы от 100 нм до 1 мм, которые охватывают ультрафиолетовое, видимое и инфракрасное излучение.
Ультрафиолетовое излучение
Почти все УФ-С, половина УФ-В и часть УФ-С излучения поглощается озоном в стратосфере, прежде чем достигнет поверхности.Ультрафиолетовое излучение можно разделить на три диапазона длин волн: УФ-А, УФ-В и УФ-С. Все длины волн ультрафиолетового света могут напрямую влиять на ДНК водных обитателей, а также создавать вредные фотохимические вещества 1 . Чем короче длина волны, тем больший ущерб она может нанести.
UV-C включает длины волн от 100 до 280 нм. Этот диапазон излучения составляет всего 0,5% от всей солнечной радиации, но он может нанести наибольший ущерб организмам. Однако большая часть этого коротковолнового излучения поглощается стратосферными газами (озоном) и очень мало достигает поверхности 9 .
УФ-В излучение может достигать больших глубин в соленой воде, чем в более пресной воде (изображение любезно предоставлено Васильковым и др., JGR-Oceans, 2001 через НАСА). UV-B (280-320 нм) – это энергичная фотоактивирующая полоса излучения, которая лишь частично поглощается в стратосфере 1 .
Этот диапазон излучения известен тем, что вызывает рак кожи у людей и может нарушать фотосинтез у многих растений 16 . Глубина проникновения УФ-В в воду зависит от мутности и химического состава воды.УФ-B достигает большей глубины в соленой воде, чем в пресной, и может достигать 20 метров от поверхности океана 1,9 .
УФ-А (320-400 нм) имеет меньшую энергию, чем УФ-В, и не поглощается озоном в атмосфере. Однако с поверхности он может быть закрыт облачным покровом 9 . УФ-A также называется черным светом и известен своей способностью вызывать флуоресценцию в некоторых материалах 37 . Хотя он менее легко впитывается водой, он может проникать глубже, чем УФ-В или УФ-С 1 .УФ-А вызывает солнечные ожоги у человека. Он также более ингибирует фотосинтез, чем УФ-В. 1 . Исследования показали, что УФ-А может значительно снизить фотосинтез более чем на 70% 6 . Это связано с тем, что УФ-А снижает эффективность переноса электронов, что, в свою очередь, снижает фотосинтетическое производство.
Ультрафиолетовое излучение и фитопланктон
Фитопланктон – это микроскопические организмы, которые обитают в воде и используют фотосинтез для преобразования солнечного света в энергию 16 .Эти организмы используют углекислый газ и производят кислород в качестве побочного продукта фотосинтеза, как и растения 17 . Ультрафиолетовый свет может замедлить этот процесс в фитопланктоне. УФ-А и УФ-В излучения подавляют фотосинтетическое производство, тем самым снижая потребление углекислого газа и выход кислорода. В условиях естественного солнечного света УФ-А и УФ-В могут уменьшить фотосинтез более чем на 8% 41 .
Фитопланктону требуется свет для фотосинтеза, но УФ-излучение может снизить их производство. Коллаж, адаптированный из рисунков и микрофотографий Салли Бенсусен, Научное бюро проекта NASA EOS. Этот эффект может быть вредным не только для фитопланктона. Эти одноклеточные растения ответственны за большую часть переноса углерода между атмосферой и океаном, процесс, известный как «биологический углеродный насос» 17 .
Большая часть океанической жизни под поверхностью зависит от фитопланктона, прямо или косвенно потребляя его 17 . Фитопланктон также способствует образованию «морского снега» – мертвого органического материала, который падает на дно океана в качестве топлива для глубоководных организмов.Когда ультрафиолетовое излучение снижает фотосинтетическое производство фитопланктона, оно отрицательно сказывается на мировом углеродном цикле и морской пищевой цепи 16 .
Инфракрасный свет
Инфракрасное излучение вызывает нагревание поверхности и атмосферы Земли. Инфракрасный свет находится на противоположной стороне спектра от ультрафиолетового. Это излучение имеет длину волны> 700 нм и обеспечивает 49,4% солнечной энергии 9 . Инфракрасное излучение легко поглощается молекулами воды и углекислого газа и преобразуется в тепловую энергию 10 .Более длинные волны вызывают тепло, возбуждая электроны в веществах, которые их поглощают. Таким образом, инфракрасное излучение вызывает нагревание поверхности Земли.
Инфракрасный свет отражается больше, чем УФ или видимый свет из-за большей длины волны 10 . Это отражение позволяет инфракрасному излучению передавать тепло между поверхностью, водой и воздухом.
В водоеме инфракрасный свет может достигать только определенного расстояния от поверхности. 90% инфракрасного излучения поглощается на первом метре поверхности воды, и только 1% может достигать двух метров в чистой воде 1 .Вот почему поверхность большинства водоемов теплее глубины.
Что такое фотосинтетически активная радиация?
Фотосинтетически активное излучение (ФАР) – это диапазон длин волн света, который лучше всего подходит для фотосинтеза. Фотосинтез – это процесс, который требует световой энергии и оптимально протекает в диапазоне от 400 до 700 нанометров (нм) 1 . Этот диапазон также известен как видимый свет.
Фотосинтетически активное излучение – это диапазон видимого света, который растения могут использовать для фотосинтеза.
Видимый свет охватывает электромагнитный спектр от видимого синего / фиолетового до красного. Синий свет имеет более высокую энергию и более короткую длину волны, чем зеленый или красный свет. Красный свет имеет самую низкую энергию в видимом спектре 12 . Когда видимый свет достигает Земли, поверхность будет поглощать или отражать волны различной длины, создавая видимый цвет. Длина волны, отраженная от поверхности, имеет цвет, который кажется 12 . Если поверхность отражает все видимые длины волн, она будет белой 12 .
Большинство растений кажутся зелеными, поскольку хлорофилл в их клетках отражает зеленый свет. 8 . Вода часто кажется синей, так как этот цвет проникает глубже всего, прежде чем впитаться. 1 . Находясь на суше, растения используют для фотосинтеза почти весь видимый диапазон. Однако даже под водой, когда доступен только синий свет, фотосинтез все равно может происходить.
Почему важны солнечная и фотосинтетически активная радиация?
Солнечное излучение обеспечивает тепло, свет и энергию, необходимые для всех живых организмов.
Инфракрасное излучение обеспечивает теплом все места обитания, на суше и в воде 24 . Без солнечной радиации поверхность Земли была бы примерно на 32 ° C холоднее 25 .
Свет также обеспечивается солнечным излучением. Хищники не смогли бы эффективно охотиться на добычу без солнечного света, а жертва не могла бы использовать преимущества темных областей, если бы хищники были адаптированы к темным местам обитания 1 .Человеческие глаза адаптированы к видимому спектру, хотя некоторые другие виды могут видеть ультрафиолетовый свет в дополнение к цветам 26 .
В частности, важен уровень фотосинтетически активной радиации (ФАР), которую получает область. Это связано с тем, что разные растения реагируют на разные длины волн PAR 1 . Большинство растений отражают зеленые волны, поглощая остальную часть видимого светового спектра.
Кроме того, тенистые растения реагируют на более низкие уровни PAR, в то время как солнечные растения собирают PAR более эффективно при более высоких уровнях освещенности 7 .Другими словами, по мере увеличения солнечного излучения (интенсивности) солнечные растения подвергаются более высокому уровню фотосинтеза. Листья подсолнечника маленькие и толстые, со специальными ячейками, обеспечивающими более высокие показатели 20 . Затененные растения проводят фотосинтез при более низком уровне интенсивности излучения. Их листья тоньше, длиннее и содержат меньше клеток хлорофилла. Это облегчает фотосинтез в условиях низкой освещенности 20 .
Хотя основным преимуществом фотосинтеза является энергия для растений, он дает и другие важные результаты.Кислород – побочный продукт фотосинтеза 1 . Этот процесс обеспечивает производство большего количества кислорода, чем потребляется организмами в окружающей среде. Если фотосинтез не производит достаточно растворенного кислорода под водой, он может создать аноксические условия, при которых рыба и другие организмы не могут жить 1 .
Фотосинтез также потребляет углекислый газ, тем самым снижая уровень углекислого газа в воздухе и воде 1 .
Солнечная освещенность
Годовая солнечная освещенность поверхности, полученная в 2008 г.Экватор получает солнечное излучение с большей интенсивностью (освещенностью), чем северное и южное полушария. Данные собраны П. Вангом, П. Стаммесом, Р. ван дер А., Г. Пинарди, М. ван Розендаль (2008), FRESCO + Солнечное излучение – это интенсивность, с которой радиация проникает в атмосферу Земли. Соответствующий способ подумать о солнечном излучении – это посмотреть на разницу между 20-ваттной лампочкой и 100-ваттной лампочкой. Оба излучают видимый свет с одинаковой длиной волны, но яркость и интенсивность сильно различаются.Лампа мощностью 100 ватт имеет более высокую интенсивность или освещенность. Солнечное излучение – это количество лучистого потока на площади, которое измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт / м²) 9 .
Что влияет на солнечное излучение?
Солнечное излучение, получаемое конкретным местом или водоемом, зависит от высоты над уровнем моря, угла наклона солнца (в зависимости от широты, сезона и времени суток) и рассеивающих элементов, таких как облака 9 .
Чем выше высота, тем короче путь от атмосферы.Это может означать более высокую освещенность, но не более высокие температуры. Это интенсивное излучение способствует засушливому климату, а более разреженный воздух означает, что больше УФ-излучения достигает поверхности на этих высотах.
Чем ниже угол наклона солнца, тем большее количество озона свет должен пройти через 9 . Это также фактор ультрафиолетового излучения. Озон поглощает ультрафиолетовый свет и может снизить интенсивность излучения.
Угол наклона солнца зависит от широты, времени года и времени суток. Расстояние, которое должно пройти излучение, будет минимальным, когда солнце находится прямо над головой. Вот почему годовая чистая солнечная освещенность над экватором больше, чем над северными и южными широтами. Солнечное излучение будет уменьшаться по мере отклонения полушария от солнца.
В течение дня угол наклона солнца к любому заданному месту будет уменьшаться от восхода до полудня, а затем увеличиваться до захода солнца.
Под большими углами (утром и вечером) солнечное излучение должно проходить через большую часть атмосферы, что снижает его освещенность. Вот почему солнечный свет вечером кажется менее интенсивным, чем днем.
Облачность и загрязнение воздуха также могут уменьшить количество радиации, достигающей поверхности Земли. Облака и аэрозоли в атмосфере могут рассеивать и поглощать все диапазоны излучения 9 . По мере увеличения облачности угол наклона солнца становится менее важным при измерении освещенности.Это связано с увеличением диффузии (рассеяния) излучения 10 . Увеличенная облачность уменьшает освещенность, из-за чего солнечный свет становится менее интенсивным. В эти дни солнечная радиация все еще достигает поверхности Земли, просто с меньшей освещенностью. В этих условиях люди могут обгореть на солнце, не осознавая последствий, пока не станет слишком поздно.
Тепло, температура и солнечное излучение
Солнечный свет отвечает за нагревание Земли, океанов и атмосферы за счет инфракрасного излучения.
И вода, и земля отражают часть этого излучения, чтобы нагреть атмосферу или другие объекты, контактирующие с поверхностью. Чем темнее объект или поверхность, тем быстрее они поглощают свет и нагреваются. 31 .
Температура воздуха
Температура воздуха косвенно зависит от солнечной радиации. Хотя сам воздух не поглощает инфракрасное излучение, он получает тепло от поверхности Земли. Этот эффект возникает за счет теплопередачи за счет теплопроводности и конвекции 31 .
Инфракрасное излучение, поглощаемое поверхностью Земли, нагревает окружающий воздух. Земля поглощает инфракрасное излучение и преобразует его в тепловую энергию. Поскольку поверхность поглощает тепло от солнца, она становится теплее окружающей атмосферы. Затем тепло передается посредством теплопроводности (контакта) от более теплой Земли к более холодной атмосфере 24 . Сам по себе воздух плохо проводит тепло, поэтому конвекция или подъем и падение теплого и холодного воздуха нагревает остальную атмосферу, не контактирующую с поверхностью 31 .
Поднимающийся теплый воздух часто называют термиком. По мере того, как нагретый воздух поднимается, более холодный воздух опускается на поверхность, где продолжается процесс конвекции.
Поверхность Земли также отражает некоторое инфракрасное излучение обратно в воздух. Это отраженное излучение может быть захвачено и поглощено газами в атмосфере или повторно излучено обратно на Землю 25 . Этот процесс называется парниковым эффектом. Без парникового эффекта средняя температура поверхности Земли была бы около -18 ° C вместо нынешних + 18 ° C 25 .
Температура воды
90% инфракрасного излучения поглощается на первом метре поверхности воды. Затем тепло передается по воде за счет ветра и конвекции. Инфракрасный свет солнца поглощается водоемами и преобразуется в тепловую энергию. Это низкоэнергетическое излучение возбуждает электроны и нагревает верхний слой воды. Почти все инфракрасное излучение поглощается в пределах одного метра от поверхности 1 .
Затем это тепло передается на большие глубины за счет движения ветра и конвекции 1 .Хотя тепло медленно передается через толщу воды, оно часто не достигает самого дна. Это связано с расслоением водной толщи.
В океане и многих озерах вода может расслаиваться или образовывать отдельные слои воды. Эти слои отличаются своей температурой, плотностью и часто разной концентрацией растворенных веществ (таких как соль или кислород). Различные слои воды разделены крутыми перепадами температур, известными как термоклины 1 .Даже при конвекции и ветре большей части солнечного тепла трудно пересечь эти препятствия. Вместо этого нижний слой воды будет оставаться около 4 ° C, в то время как температура поверхностной воды будет колебаться как суточно (ежедневно), так и сезонно 1 .
Что такое фотосинтез?
Фотосинтез – это процесс, при котором растения и другие организмы, также известные как фотоавтотрофы, используют энергию солнечного света для производства глюкозы.
Этот процесс может происходить как на суше, так и под водой 18 .
Глюкоза – это разновидность сахара, которая позже превращается в аденозинтрифосфат (АТФ) посредством клеточного дыхания. 3 . АТФ – это молекула, несущая энергию, которая используется в метаболических реакциях живых организмов. Эта молекула необходима почти для всех организмов 4 . Фотоавтотрофы используют солнечный свет, шесть молекул углекислого газа и двенадцать молекул воды для производства одной молекулы глюкозы, шести молекул кислорода и шести молекул воды. Эта реакция снижает уровень углекислого газа в воздухе или воде, производя глюкозу для АТФ.
Фотосинтез может происходить под водой, пока есть достаточно света. В океане значительное количество фотосинтетически активной радиации может быть обнаружено на глубине до 200 м от поверхности 29 . В этой эвфотической зоне (зоне солнечного света) может происходить фотосинтез. Для этого процесса требуется только свет, двуокись углерода и вода 18 .
Пока фотосинтезирующий организм на суше или под водой имеет достаточно этих молекул, он может производить глюкозу и кислород.
Фотосинтез и температура
Температура влияет на скорость фотосинтеза различных водорослей.Фотосинтез – это серия химических реакций, которые происходят с помощью ферментов. Ферменты являются катализаторами биологических процессов и помогают ускорить химические реакции 11 . Фотосинтез также требует тепла, чтобы активировать процесс. Поскольку тепло увеличивает кинетическую энергию (заставляя реагенты чаще сталкиваться друг с другом), более высокая температура может ускорить химические реакции в дополнение к инициированию процесса 11 .
Хотя повышенная температура может ускорить фотосинтез, слишком много тепла может быть вредным. 11 . При определенной температуре ферменты денатурируют и теряют форму. Денатурированные ферменты больше не ускоряют химические реакции, а вместо этого замедляют фотосинтез.
Таким образом, температура является важным фактором фотосинтетического производства, как для активации, так и для поддержания процесса. Поэтому оптимальные температуры фотосинтеза для разных организмов разные 1 .
Как мутность влияет на подводный фотосинтез?
Мутность – это отсутствие прозрачности воды, вызванное присутствием взвешенных частиц 1 . Эти частицы поглощают солнечный свет и могут отражать свет от частиц в воде. Чем больше частиц присутствует в воде, тем меньше фотосинтетически активной радиации будут получать растения и фитопланктон. Эта потеря солнечного света снижает скорость фотосинтеза. Если фотосинтетическое производство ограничено, уровень растворенного кислорода в воде снизится 13 .Кроме того, помутнение может нанести значительный ущерб водной среде обитания из-за поглощения инфракрасного излучения и повышения температуры воды выше нормального уровня.
Почему для фотосинтеза нельзя использовать ультрафиолетовый или инфракрасный свет?
Оптимальное фотосинтетически активное излучение – это диапазон 400-700 нм, который охватывает спектр видимого света.
Видимый свет – единственная полоса в спектре, которая считается фотосинтетически активной. Он обладает идеальным количеством энергии для возбуждения электронов, необходимых для начала фотосинтеза, а не для повреждения ДНК или разрыва связей.
Ультрафиолет нельзя использовать для фотосинтеза, потому что он имеет слишком много энергии. Эта энергия разрывает связи в молекулах и может разрушить ДНК и другие важные структуры в организмах 8 . Когда растения и другие фотоавтотрофы пытаются использовать УФ-А (320-400 нм) для фотосинтеза, эффективность переноса электронов снижается, что, в свою очередь, снижает скорость фотосинтеза 6 . На другой стороне спектра инфракрасный свет не содержит много энергии. Недостаточная энергия не возбуждает электроны в молекулах в достаточной степени, чтобы их можно было использовать для фотосинтеза.Инфракрасный свет преобразуется в тепловую энергию вместо 8 .
Типичные уровни солнечной радиации
Уровни солнечной радиации зависят от времени суток и от угла Солнца по отношению к Земле.
Этот угол зависит от широты и сезона. Чем больше угол наклона Солнца, тем больше озона должен пройти солнечный свет, чтобы достичь поверхности 9 . Помимо угла наклона солнца, на уровень радиации могут влиять атмосферные условия. Облачный покров, загрязнение воздуха и дыра в озоновом слое – все это изменяет количество солнечной радиации, которая может достигать поверхности.Все эти факторы вызывают различие типичных уровней излучения.
Ежедневные колебания
Летом солнечная радиация (измеряемая по освещенности) будет максимальной над экватором и полушарием, наклоненным к солнцу.На большей части поверхности Земли принимаемое солнечное излучение измеряется солнечной светимостью. Освещенность будет увеличиваться от восхода до полудня, а затем уменьшаться до заката 36 . Полученные пиковые уровни солнечной энергии будут варьироваться в зависимости от широты и сезона 15 .
Как видно на графике слева, у экватора самая крутая кривая солнечного излучения, что дает ему самые короткие периоды восхода и захода солнца.
Кроме того, продолжительность дня не сильно меняется в течение года. Это происходит потому, что угол наклона Солнца не сильно колеблется над экватором.
Полушарие, наклоненное к солнцу, достигнет такого же пикового уровня радиации, что и экватор, но с более плавными изгибами, что означает более длинные восходы и закаты. В этом полушарии в целом будут более длинные дни.Противоположное полушарие (наклоненное от Солнца) будет иметь более короткие восходы и закаты, а также более короткие периоды дневного света 15 .
На географических Северном и Южном полюсах (90 ° широты) солнечное излучение, кажется, остается постоянным в течение одного дня 15 . Это потому, что полюса являются точкой вращения Земли. Хотя суточные значения, похоже, не меняются, уровень солнечной радиации, получаемой на полюсах, будет медленно изменяться в течение года.
Ежемесячные колебания
Чем дальше город от экватора, тем сильнее будет колебание получаемой солнечной радиации в течение года.
Уровни солнечной радиации зависят от близости к солнцу и угла наклона солнца. Таким образом, разные регионы земного шара имеют разные типичные уровни радиации в каждый сезон. На экваторе типичная солнечная радиация довольно постоянна круглый год 15 . Есть небольшие колебания, но нет резких скачков или падений. В Северном полушарии радиация увеличивается с течением года, пока не достигнет пика примерно в июне или июле. Затем уровни радиации медленно снижаются в течение остальной части года 14 .В Южном полушарии уровни радиации противоположные. В начале года уровни высоки, а затем медленно опускаются до самой низкой точки примерно в июне. После июня они снова начинают расти до конца года 14 .
Дыра в озоновом слое
Дыра в озоновом слое – это участок атмосферы со значительно меньшим содержанием озона, чем в остальной стратосфере (изображение любезно предоставлено NASA GSFC Scientific Visualization Studio). Озон – это молекулярный газ, состоящий из трех атомов кислорода (O 3 ).
Этот газ помогает защитить Землю, поскольку он поглощает большую часть солнечного ультрафиолетового излучения. Большая часть УФ-С, большая часть УФ-В и примерно половина УФ-А поглощается кислородом и озоном в озоновом слое. Этот слой в основном находится в стратосфере на высоте от 10 до 50 км над поверхностью Земли.
«Дыра в озоновом слое» находится в атмосфере над Антарктикой. Эта область не полностью лишена озона, но вместо этого представляет собой участок атмосферы со значительно более низким уровнем озона, чем обычно. 27 .Хотя причина разрыва иногда является предметом споров, исследования показали, что озон разрушается, когда он вступает в реакцию с хлором, азотом, водородом или бромом 27 . Когда эти химические вещества попадают в атмосферу, они могут удалить присутствующий озон. Независимо от причины, дыра в озоновом слое позволяет большему количеству УФ-излучения достигать Земли. Если увеличение УФ-излучения становится чрезмерным, оно может быть вредным как для наземной, так и для водной среды обитания 27 .
Последствия необычных уровней
УФ-B-излучение может повредить цепи ДНК.Необычно высокий или низкий уровень солнечного света может вызвать проблемы как на суше, так и на воде. Слишком много ультрафиолетового света может вызвать необратимое повреждение ДНК и важных фотосинтетических структур, а слишком большое количество инфракрасного света может вызвать перегрев. 1 . Повреждение ДНК вызывается УФ-В излучением. В то время как большинство живых клеток адаптировались и могут восстанавливать простые повреждения, повышенное воздействие ультрафиолетового излучения может привести к необратимой мутации клеток или их гибели 16 .
В пасмурные дни или если ранее солнечное место затеняется, фотосинтетическое производство может быть остановлено.Это не только останавливает производство кислорода, но и увеличивает потребление кислорода за счет дыхания растений. 1 . Уменьшение инфракрасного света также охладит затемненную поверхность или водоем, который, в свою очередь, охладит окружающий воздух.
Вода
Удаление тенистых деревьев от городского ручья повышает температуру воды, что делает ее непригодной для ловли холодноводных рыб, таких как форель. (Фото: Кристан Кокерилл через Environmental Monitor).Когда вода подвергается воздействию чрезмерного количества солнечного света, инфракрасное излучение нагревает воду.Чем теплее вода в организме, тем быстрее будет испарение. Это может снизить уровень воды и поток воды. Кроме того, теплая вода не может удерживать столько растворенного кислорода, как холодная вода. Это означает, что в более теплой воде для водных организмов доступно меньше растворенного кислорода 21 . Слишком много инфракрасного света также может привести к денатурированию ферментов, используемых в фотосинтезе, что может замедлить или остановить процесс фотосинтеза. 11 .
На другой стороне спектра излучение может быть ограничено облачными днями, теневыми источниками или низкими углами наклона солнца.Если уровень солнечного излучения ниже обычного в течение длительного периода времени, фотосинтез может снизиться или полностью прекратиться.
Без солнечного света фитопланктон и растения будут потреблять кислород, а не производить его. Эти условия могут вызвать резкое падение уровня растворенного кислорода в воде, что может привести к гибели рыбы 20 .
Земля
Затененные растения, такие как хосты, могут быть повреждены чрезмерной жарой и солнечным светом.Как и в воде, уровень земной радиации может быть ограничен пасмурной погодой 20 .Это особенно важно для растений, поскольку фотосинтетический процесс и физиология растений в целом зависят от солнечного света.
Устьица – это поры на внешнем слое листьев растений. Они открываются в присутствии солнечного света и пропускают внутрь растения воду, углекислый газ и кислород 22 . Затем эти молекулы используются для производства глюкозы посредством фотосинтеза. В холодные бессолнечные дни устьица закрываются, потому что солнечной энергии не хватает для продолжения фотосинтеза. 23 .Слишком много интенсивного солнечного света также может остановить производство фотосинтеза, поскольку устьица закрываются в солнечные, жаркие и засушливые дни, чтобы предотвратить потерю воды.
23 .
Солнечный свет может влиять не только на открытие и закрытие устьиц растений. В то время как у некоторых растений есть специализированные белки, которые защищают их от солнечных ожогов, у других их нет, а интенсивное солнечное излучение может повредить их листья 32 . У растений, которые не приспособлены к полному или интенсивному солнечному свету, например хосты или рододендроны, может развиться тепловой стресс.Многие растения, в том числе тенистые, подвержены ожогу листьев, когда части растения погибают из-за чрезмерной потери воды из-за транспирации. 33 . Помимо замедления или остановки фотосинтеза, тепловой стресс и ожог листьев могут сделать растения более восприимчивыми к болезням или нашествиям насекомых.
Сколько света?
Количество излучения, получаемого Землей, варьируется, и большая его часть отражается обратно в атмосферу. Эта карта показывает чистую поглощенную солнечную радиацию.(Изображение любезно предоставлено Деннисом Хартманном, Вашингтонский университет через НАСА).
Сколько света производит солнце? На этот вопрос сложно ответить, поскольку есть разные способы учитывать и измерять свет. Есть яркость (проецируемая мощность) и видимый свет, которые можно измерить как яркость (яркость) или освещенность (падающий свет). Яркость и освещенность применимы только к длинам волн в диапазоне видимого света 37 . Солнечный свет обычно определяется в единицах яркости, поскольку только половина солнечного излучения, которое достигает Земли, является видимым светом, но все излучение обеспечивает энергию.
Энергия излучения может быть измерена в джоулях, хотя чаще ее измеряют как поток излучения или мощность излучения, которая выражается как энергия во времени. Базовая единица измерения мощности – ватт (джоули в секунду). Солнце излучает 384 600 000 000 000 000 000 000 000 000 ватт (3,846 x 10 26 Вт) 38 . Для сравнения: в среднем лампа накаливания потребляет 40-100 Вт. Эта энергия излучается от Солнца в сфере, из которой некоторые упадут на Землю.
Энергия, которая достигает Земли, измеряется как солнечное излучение (энергия в секунду на квадратный метр).Учитывая расчетную мощность излучения Солнца, интенсивность солнечной энергии, которая достигает верхних слоев атмосферы Земли (прямо обращенных к Солнцу), составляет 1360 Вт / м² 39 .
Уровень освещенности, достигающий поверхности, может варьироваться в зависимости от эллиптической орбиты Земли, солнечных вспышек и количества атмосферы, через которую должна пройти радиация (из-за угла наклона Солнца к поверхности или имеющегося облачного покрова).2), которая является единицей СИ для освещенности. Под прямыми солнечными лучами, когда солнце находится в зените (прямо над головой), измеренные значения в люксах могут достигать 130 000 40 .
В самые солнечные дни (без прямого освещения) освещенность обычно составляет 10 000-25 000 люкс. В пасмурный день падающий свет может достигать только 1000 люкс, а в сумерках – 10 люкс 40 . Чем больше угол наклона солнца, тем ниже будет люкс, так как люмен распространяется на большую площадь. Освещение важно учитывать при оценке фотосинтетически активной радиации.
Сколько света на самом деле достигает поверхности Земли?
Только 56% солнечной радиации, которая достигает атмосферы, попадает на поверхность Земли. Солнечное излучение должно пройти через множество преград, прежде чем достигнет поверхности Земли. Первый барьер – это атмосфера. Около 26% солнечной энергии отражается или рассеивается обратно в космос облаками и частицами в атмосфере 34 . Еще 18% солнечной энергии поглощается атмосферой.Озон поглощает ультрафиолетовое излучение, а диоксид углерода и водяной пар могут поглощать инфракрасное излучение 34 . Остальные 56% солнечной радиации способны достигать поверхности.
Однако часть этого света отражается от снега или других ярких поверхностей земли, поэтому только 48% могут быть поглощены землей или водой 36 . Примерно половина излучения, достигающего поверхности, составляет видимый свет, а половина – инфракрасный свет 1 . Эти проценты отражения и поглощения могут варьироваться в зависимости от облачности и угла наклона солнца.В пасмурную погоду до 70% солнечной радиации может поглощаться или рассеиваться атмосферой 35 .
Сколько света пробивает поверхность воды?
5–10% света, попадающего на поверхность воды, отражается или рассеивается. Фотография предоставлена: «Свет и вода» парня по имени Джерм через Flickr. Когда свет достигает поверхности воды, может происходить отражение и рассеяние. Отражение происходит, когда солнечное излучение просто отражается от воды 1 .Это отражение связано с альбедо или отражательной способностью воды. Количество отраженного солнечного света зависит от угла наклона солнца, длины волны и погодных условий.
Примерно 5–10% света, достигающего поверхности воды, отражается 1 . Более длинные волны отражаются немного больше, чем более короткие волны 10 .
Рассеяние – это отклонение света молекулами в воде. Различные материалы, включая растворенные и взвешенные твердые частицы, а также организмы в воде, вызывают рассеивание света в разных направлениях 1 .Количество рассеиваемого света зависит от прозрачности воды.
Насколько глубоко солнечный свет проникает в океан?
Водную толщу океана можно разделить на зоны в зависимости от того, сколько света достигает определенной глубины.Океан разделен на три зоны в зависимости от света. Первая зона, эвфотическая зона, или зона солнечного света, – это место, куда проникает солнечный свет. Фитопланктон обитает в эвфотической зоне, потому что там достаточно света для фотосинтеза. Эта зона простирается примерно на 660 футов ниже поверхности океана. 2
Следующая зона называется дисфотической (сумеречной) зоной.
Некоторое количество света может достигать этой глубины, но этого недостаточно для фотосинтеза 29 .
Последняя зона начинается примерно на 3 300 футов ниже поверхности океана и называется афотической (полуночной) зоной. Солнечный свет не может достичь этой зоны, и его свет исходит только от биолюминесцентных организмов 2 .
Насколько глубоко солнечный свет проникает в пресную воду?
Фотосинтез может происходить в литоральной и лимнетической зоне, поскольку для фотосинтеза доступно достаточно света. Глубина, на которую свет проникает в пресную воду, зависит от ее прозрачности. В воде с высоким уровнем мутности или взвешенных твердых частицах свет не достигает прозрачных водоемов. Эти взвешенные частицы могут как поглощать, так и рассеивать свет 1 . В большинстве рек и ручьев свет достигает русла, и фотосинтез может происходить по всей толще воды. Однако в особенно глубоких, покрытых водорослями или мутных озерах свет может не достигать определенных глубин.
Как и океан, глубокие озера разделены на три зоны. Первая зона называется литоральной зоной. Эта зона находится недалеко от берега, и солнечный свет достигает дна. Водные растения в прибрежной зоне могут расти на дне озера и при этом получать достаточно света для фотосинтеза 19 . Следующая зона известна как лимнетическая зона и представляет собой поверхностный слой открытой воды. Фотосинтез может происходить в этой зоне, поскольку она пронизана светом. Глубина лимнетической зоны зависит от мутности воды.В более мутной воде лимнетическая зона будет мельче 19 . Ниже лимнетической зоны находится профундальная зона. Это придонный (придонный) слой глубокого озера. Солнечный свет не может попасть в эту зону, поэтому фотосинтез не произойдет. Вместо этого организмы, которые постоянно проживают в глубокой зоне (например, бактерии), полагаются на органическое вещество, падающее из более высоких зон 19 .
Передача света через лед и снег
Покрытое льдом озеро может не получать достаточно света для водных растений для продолжения фотосинтеза.
На количество света, поглощаемого водоемом, может сильно влиять ледяной и снежный покров. Прозрачный бесцветный лед имеет такой же процент светопропускания, что и жидкая вода, который составляет около 72% 1 . Однако, если лед покрывается пятнами или мутным, процентное содержание может резко снизиться. Непрозрачный лед и сильный снегопад могут снизить процент светопропускания почти до нуля. Если водоем покрыт льдом и снегом в течение длительного периода времени, весь его метаболизм может замедлиться.
Фотосинтез, для которого требуется свет, производит кислород в качестве побочного продукта и помогает поддерживать уровень растворенного кислорода в воде.Растворенный кислород постоянно расходуется в метаболических реакциях живыми организмами в воде, независимо от снежного и ледяного покрова. Если снег и лед препятствуют фотосинтезу, дыхание растений будет способствовать истощению запасов кислорода вместо восстановления уровня растворенного кислорода. Когда это происходит, может возникнуть кислородное голодание или кислородное голодание, и многие организмы могут погибнуть.
Это часто происходит в неглубоких продуктивных озерах и прудах и известно как вымерзание 1 .
Водные организмы и видимый свет
Глубина, на которую проникает свет, зависит от качества воды.Теплые цвета впитываются быстрее, чем холодные (изображение любезно предоставлено Кайлом Каротерсом, NOAA-OE).Солнечный свет проникает в воду только на определенную глубину 29 . На расстоянии более 200 м света недостаточно для фотосинтеза. Человеческий глаз недостаточно чувствителен, чтобы обнаруживать солнечный свет на глубине 850 м над уровнем моря 26 . Даже самые зрительно приспособленные рыбы не видят солнечный свет на глубине ниже 1000 м. Однако у многих организмов, живущих на этой глубине или ниже, глаза все еще функционируют.Вместо того, чтобы полагаться на солнечный свет, они используют собственную биолюминесценцию для света 26 .
Рыбы, обитающие у поверхности, обладают такими же визуальными способностями, как и организмы на суше. Они обладают цветовым зрением, потому что видимый световой спектр проникает через поверхность воды 26 . Многие рыбы также имеют ультрафиолетовое зрение, что дает им возможность видеть животных, прозрачных в видимом свете 26 .
Такие виды, как креветки и кальмары, могут видеть поляризацию подводного света, а также обладают цветным и УФ-зрением.Благодаря этой способности они могут эффективно обнаруживать добычу, поскольку поляризация света изменяется, когда он отражается от чешуи 26 . Креветки-богомолы также могут использовать эту способность для спаривания, поскольку лопасти самца меняют цвет с другой поляризованной ориентацией 30 .
Цитируйте эту работу
Fondriest Environmental, Inc. «Солнечная радиация и фотосинэтично активная радиация». Основы экологических измерений. 21 марта 2014 г. Web.
Дополнительная информация
Солнечная энергия, Альбедо и полярные регионы – Энергия и полярная среда – Помимо пингвинов и белых медведей
Предоставлено консорциумом SOHO. SOHO (Солнечная и гелиосферная обсерватория) – это проект международного сотрудничества между Европейским космическим агентством и НАСА.
Знаете ли вы, что Солнце выбрасывает в космос более миллиарда тонн вещества со скоростью миллионы километров в час? В конечном счете, энергия солнца является движущей силой погоды, климата и жизни на Земле.Но какие виды энергии исходит от солнца? Как эта энергия перемещается в космосе? А что произойдет, когда он достигнет Земли?
ИЗЛУЧАЮЩАЯ ЭНЕРГИЯ
Copyright 2000-2001 Университетская корпорация атмосферных исследований. Все права защищены. Используется с разрешения.
Солнце испускает множество форм электромагнитного излучения в различных количествах. Как показано на диаграмме (напротив), около 43 процентов общей лучистой энергии, излучаемой солнцем, находится в видимых частях спектра.Основная часть остатка приходится на
.в ближнем инфракрасном (49 процентов) и ультрафиолетовом (7 процентов) диапазонах. Менее 1 процента солнечной радиации испускается в виде рентгеновских лучей, гамма-волн и радиоволн.
Передача энергии от Солнца через почти пустое пространство (помните, что космос – это вакуум) осуществляется в основном за счет излучения. Излучение – это передача энергии движением электромагнитной волны.
ПЕРВАЯ ОСТАНОВКА: АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ
Как только энергия солнца достигает Земли, она сначала улавливается атмосферой.Небольшая часть солнечной энергии непосредственно поглощается, особенно некоторыми газами, такими как озон и водяной пар.
Часть солнечной энергии отражается обратно в космос облаками и земной поверхностью.
Copyright 2000-2001 Университетская корпорация атмосферных исследований. Все права защищены. Используется с разрешения.
Однако большая часть излучения поглощается земной поверхностью. Когда излучение поглощается веществом, атомы вещества движутся быстрее, и вещество становится теплым на ощупь.Поглощенная энергия преобразуется в тепловую энергию. Эта тепловая энергия играет важную роль в регулировании температуры земной коры, поверхностных вод и нижних слоев атмосферы.
Каждая поверхность на Земле поглощает и отражает энергию в разной степени, в зависимости от ее цвета и текстуры. Объекты темного цвета поглощают больше видимого излучения; светлые объекты отражают более видимое излучение. Блестящие или гладкие объекты отражают больше, а тусклые или грубые – больше. Различия в отражении влияют на температуру, погоду и климат.
ОТРАЖАТЬ ИЛИ ПОГЛОЩАТЬ?
Ученые используют термин , альбедо , чтобы описать процент солнечного излучения, отраженного обратно в космос объектом или поверхностью.
Совершенно черная поверхность имеет альбедо 0 (все излучение поглощается). Совершенно белая поверхность имеет альбедо 1,0 (все излучение отражается).
Различные объекты земли (например, снег, лед, тундра, океан и облака) имеют разные альбедо.Например, земля и океан имеют низкие альбедо (обычно от 0,1 до 0,4) и поглощают больше энергии, чем отражают. Снег, лед и облака имеют высокое альбедо (обычно от 0,7 до 0,9) и отражают больше энергии, чем поглощают.
Среднее альбедо Земли составляет около 0,3. Другими словами, около 30 процентов поступающей солнечной радиации отражается обратно в космос и 70 процентов поглощается.
Датчик на борту спутника НАСА Terra в настоящее время собирает подробные измерения того, сколько солнечного света земная поверхность отражается обратно в атмосферу.Путем точной количественной оценки альбедо нашей планеты спектрорадиометр изображения среднего разрешения (MODIS) помогает ученым понять и предсказать, как различные особенности поверхности влияют как на краткосрочные погодные условия, так и на долгосрочные климатические тенденции.
Изображение любезно предоставлено Обсерваторией Земли НАСА.
Цвета на этом изображении подчеркивают альбедо поверхности земли в диапазоне от 0,0 до 0,4. Области, окрашенные в красный цвет, показывают самые яркие, наиболее отражающие области; желтый и зеленый – промежуточные значения; а синий и фиолетовый – относительно темные поверхности.Белый цвет указывает на отсутствие данных и данные об альбедо над океанами.
Как показано на изображении, Арктика, покрытая снегом и льдом, имеет высокое альбедо. (Хотя данных не было, Антарктика также имела высокое альбедо.) Пустынные районы, такие как Сахара в Северной Африке, также отражают большое количество радиации. Лесные участки или участки с темной почвой поглощают больше радиации и имеют более низкое альбедо.
Человеческие и природные процессы изменили альбедо земной поверхности.Например, среднее альбедо Земли во время последнего ледникового периода было намного выше, чем сегодня. На значения альбедо также повлияли антропогенные воздействия, такие как вырубка лесов, загрязнение воздуха и уменьшение арктического морского льда. Эти изменения изменяют чистое количество энергии, поглощаемой и излучаемой обратно в космос.
БЮДЖЕТ ИЗЛУЧЕНИЯ ЗЕМЛИ
Центр данных НАСА по атмосферным наукам. Используется с разрешения.
Радиационный баланс Земли – это концепция, которая помогает нам понять, сколько энергии Земля получает от Солнца и сколько энергии Земля излучает обратно в космическое пространство.
Изменения земной коры, такие как оледенение, вырубка лесов и таяние полярных льдов, изменяют количество и длину волны электромагнитного поглощения и отражения на поверхности земли.
ЛЕД, ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БЮДЖЕТ ЗЕМЛИ
Лед воздействует на всю земную систему по-разному. В океане и на границе суши и моря лед предотвращает испарение относительно теплой океанской воды, передавая тепло более холодной атмосфере и тем самым повышая глобальную температуру воздуха.
Изображение любезно предоставлено Хьюго Алениусом, Библиотека карт и графики ЮНЕП / ГРИД-Арендал.
Лед также отражает солнечный свет, предотвращая поглощение дополнительного тепла водой или землей. В покрытых льдом полярных регионах холоднее, чем в других местах на Земле, отчасти из-за высокого альбедо снежного и ледяного покрова.
По мере потепления климата на Земле количество ледников в форме ледников и морского льда резко уменьшается. Данные, полученные со спутников, которые отслеживают формирование полярного морского льда, указывают на то, что за последние три десятилетия как покрытие, так и толщина уменьшились.Последние исследования показывают, что самые высокие в мире ледники (в Гималаях) отступают со средней скоростью от 10 до 15 метров (от 33 до 49 футов) в год. Исследование, опубликованное в июне 2008 года, показывает, что площадь морского льда в Арктике летом 2007 года сократилась до рекордно низкого уровня.
Уменьшение площади льда в полярных регионах (в частности, морского льда в Арктике) является частью петли положительной обратной связи, которая может ускорить изменение климата. Более высокие температуры приводят к таянию снега и льда, что снижает альбедо Земли, вызывая дальнейшее потепление и еще большее таяние.
Деятельность человека, вызывающая загрязнение, также влияет на энергетический баланс. Например, когда мы сжигаем уголь, нефть, древесину и другие виды топлива, побочный продукт углерода, сажа, выбрасывается в атмосферу и в конечном итоге осаждается на Земле. Темные частицы приземляются на снег и лед и уменьшают альбедо. Затемненный снег и лед поглощают больше радиации, чем чистый снег и лед. Кроме того, по мере таяния снега и льда сажа, оставшаяся в снеге, становится более концентрированной на поверхности, что еще больше ускоряет потепление.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нет никаких сомнений – без солнечной энергии жизни на Земле не было бы. Но по мере того, как земля нагревается и полярный лед уменьшается, баланс поглощенной и отраженной энергии сдвигается, что ведет к дальнейшим изменениям.
ресурсов
Альбедо Земли и глобальное потепление
Это интерактивное задание, адаптированное из материалов НАСА и Геологической службы США, иллюстрирует концепцию альбедо – меры того, насколько солнечная радиация отражается от поверхности Земли.
Криосфера Земли: Арктика
В этом четырехминутном видеофрагменте, адаптированном из материалов НАСА, используются спутниковые изображения для обзора криосферы (замороженных частей земной поверхности) в Северном полушарии, включая Арктику.
Криосфера Земли: Антарктида
В этом видеофрагменте, адаптированном из НАСА, используются спутниковые изображения для обзора криосферы Антарктики.
Новости и анализ арктического морского льда
Национальный центр данных по снегу и льду (NSIDC) предоставляет последние новости, исследования и анализ морского льда в Арктике.
Уровень моря: изменения объема льда
Этот ресурс обеспечивает имитацию таяния айсбергов и ледников, а также влияние таяния на уровень моря.
НАЦИОНАЛЬНЫЕ СТАНДАРТЫ НАУЧНОГО ОБРАЗОВАНИЯ : СТАНДАРТЫ СОДЕРЖАНИЯ НАУКИ
Весь документ Национальных стандартов научного образования можно прочитать в Интернете или бесплатно загрузить с веб-сайта National Academies Press. Следующий отрывок взят из Главы 6.
Исследование энергии, солнца и альбедо согласуется со стандартами содержания «Физика, Земля и космос», а также «Наука в личных и социальных перспективах» Национальных стандартов научного образования :
Физические науки (стандарт содержания B): классы K-4
В результате своей деятельности в классах K-4 все учащиеся должны развить понимание свойств предметов и материалов, включая свет, тепло, электричество и магнетизм.
- Объекты обладают множеством наблюдаемых свойств, включая размер, вес, форму, цвет, температуру и способность реагировать с другими веществами. Эти свойства можно измерить с помощью таких инструментов, как линейки, весы и термометры.
- Свет распространяется по прямой линии, пока не попадает в объект. Свет может отражаться зеркалом, преломляться линзой или поглощаться объектом.
- Тепло может выделяться разными способами, например, сжиганием, трением или смешиванием одного вещества с другим.Тепло может переходить от одного объекта к другому за счет теплопроводности.
Физические науки (стандарт содержания B): 5-8 классы
В результате своей деятельности в 5-8 классах все ученики должны развить понимание Земли в Солнечной системе.
- Солнце является основным источником энергии для явлений на поверхности Земли, таких как рост растений, ветры, океанские течения и круговорот воды.
- Времена года возникают в результате изменения количества солнечной энергии, падающей на поверхность, из-за наклона вращения Земли вокруг своей оси и продолжительности дня.
Наука в личной и социальной перспективе (стандарт содержания F): классы K-4
В результате своей деятельности в классах K-4 все учащиеся должны развить понимание изменений в окружающей среде.
- Окружающая среда – это пространство, условия и факторы, которые влияют на способность человека и населения выживать и качество их жизни.
- Изменения в окружающей среде могут быть естественными или вызваны влиянием человека. Некоторые изменения хороши, некоторые плохи, а некоторые ни хороши, ни плохи.
- Некоторые изменения окружающей среды происходят медленно, а другие – быстро.
Наука в личной и социальной перспективе (стандарт содержания F): 5-8 классы
В результате своей деятельности в 5-8 классах все учащиеся должны развить понимание природных опасностей.
- Человеческая деятельность может создавать опасности из-за приобретения ресурсов, роста городов, решений по землепользованию и удаления отходов. Такие действия могут ускорить многие естественные изменения.
Эта статья написана Кимберли Лайтл. Для получения дополнительной информации см. Страницу Соавторы. Отправьте электронное письмо Кимберли Лайтл, главному исследователю, с любыми вопросами о содержании этого сайта.
Авторские права, октябрь 2008 г. – Государственный университет Огайо. Этот материал основан на работе, поддержанной Национальным научным фондом в рамках гранта № 0733024. Любые мнения, выводы, выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат автору (авторам) и не обязательно отражают точку зрения Национального научного сообщества. Фонд. Эта работа находится под лицензией Attribution-ShareAlike 3.0 Unported Creative Commons License .
Научный текст – 9 класс
Атмосфера – энергия и широта
Это Антарктида. Какой сейчас сезон? Что ночь, а что день?
Солнце всегда встает, даже посреди ночи в Антарктиде летом. Фотография слева – это Антарктида ночью летом.Фото на справа Антарктида днем летом. Точно так же зимой Антарктида в основном темно весь день.
Различные части поверхности Земли получают разное количество солнечного света. Солнечные лучи падают на поверхность Земли прямо у экватора. Это фокусирует лучи на небольшой площади. Поскольку лучи попадают более прямо, область нагревается сильнее. Вы можете увидеть это на рисунке ниже. Обратите внимание, что Земля наклонена вокруг своей оси. Из-за наклона Земли солнечные лучи падают на поверхность под наклоном к полюсам; они менее сосредоточены.Это распространяет лучи на большую площадь. Поскольку солнечные лучи падают под наклоном, местность меньше нагревается. Чем более сфокусированы лучи, тем больше энергии получает область и тем она теплее; чем меньше сфокусированы лучи, тем меньше энергии получает область и тем она холоднее.
Самые низкие широты получают больше всего энергии от солнца. Самые высокие широты получают меньше всего.
Наклон Земли заставляет разные области получать разное количество солнечной энергии.Разница в солнечной энергии, получаемой на разных широтах, вызывает атмосферные колебания. тираж. В местах, которые получают больше солнечной энергии, больше тепла. Места, где меньше солнечной энергии энергии меньше тепла. Воздух над областями, получающими больше тепла, нагревается и поднимается вверх. Воздух над областями, получающими меньше тепла, холоднее и опускается вниз. Поднимающийся теплый воздух и опускающийся прохладный воздух создают ветер, который перемещает воздух и тепло по планете.
Источник: Учебники для групп открытого образования – Науки о Земле
В Чтобы помочь вам понять это более четко, обратитесь к фото.В на этом фото сетка одинаковых размеров размещена на проекторе экран, наложенный на глобус. Из-за кривизны земного шара который представляет Землю, сетки неоднородны. Обратите внимание на экватор, сетки пропорционально меньше, чем на полюсах. Эта представляет собой солнечное излучение, рассеиваемое на большее расстояние на полюсах. Обратите внимание, что на экваторе сетки не искажены, это означает, что солнечное излучение не рассеивается так сильно.Из-за этого, воздух, океан и поверхность Земли нагреваются на экваторе более чем на полюсах.
Если бы мы сравнили эти два региона, мы бы обнаружили, что чистая потеря солнечной радиации в более высоких широтах и чистая прибыль в тропики. Эта разница в солнечной радиации создает движение воздух (ветер) из более теплых тропических регионов к более прохладным северным и южные регионы, полюса. См. Рисунок 2.
Этот движущийся воздух создает поверхностные океанические течения, которые перемещают воду. в том же направлении, что и ветер, то есть течения с экватора тропики перемещают теплые воды на север к более высоким широтам, а течения от полюсов движется более прохладная вода на юг, в более низкие широты.Сейчас же подумайте об этом, дует ли ветер в районе вашего проживания север на юг или юг на север? Если проанализировать ветер узоры, где вы живете, вы, вероятно, заметите, что ветры обычно иметь западный или восточный компонент в направлениях север-юг, т.е. северо-запад, юго-восток, юго-запад, запад, юго-запад и т. д. В чем причина за это? Почему бы ветрам не дуть только на север и юг, двигая океан течения на север и юг согласно рисунку 2? Отличный вопрос.Исследование поможет дать ответ.
Сводка
- Большая часть солнечной энергии, которая достигает Земли, попадает на экватор.
- Гораздо меньше солнечной энергии попадает на полюса.
- Разница в количестве солнечной энергии приводит в движение атмосферную циркуляцию.
Практика
Используйте этот ресурс, чтобы ответить на следующие вопросы.
- Что такое широта?
- Что значит широта для нагрева Земли?
- Почему в высоких широтах меньше солнечного света?
- Какой угол падения?
Ответы – Выделите поле ниже, чтобы увидеть ответы.
|
Обзор
- Летом Северный полюс получает солнечный свет 24 часа в сутки.Почему это получать меньше солнечной радиации, чем на экваторе?
- Какая часть Земли получает больше всего солнечного излучения за год?
- Что заставляет атмосферу двигаться таким образом?
Ответы – Выделите поле ниже, чтобы увидеть ответы.
|
Источник: Учебники для групп открытого образования – Науки о Земле
Климат | метеорология | Британника
Климат , состояние атмосферы в определенном месте в течение длительного периода времени; это долгосрочное суммирование атмосферных элементов (и их вариаций), которые за короткие периоды времени составляют погоду.Этими элементами являются солнечное излучение, температура, влажность, осадки (тип, частота и количество), атмосферное давление и ветер (скорость и направление).
Британская викторина
Апрельские дожди мартовским львам и ягнятам
Какая самая высокая зарегистрированная температура на Земле? Что самое холодное? Вы знаете, что такое биом? Наденьте свои мыслящие шапки – и, если идет дождь, возьмите зонтик – и проверьте свои знания о погоде и климате в этой викторине.
От древнегреческого происхождения слова ( klíma , «наклон или наклон» – например, солнечных лучей; широтная зона Земли; климат) и с самого раннего использования в английском языке, климат понимался как означают атмосферные условия, преобладающие в данном регионе или зоне. В более старой форме, clime , иногда предполагалось, что она включает все аспекты окружающей среды, включая естественную растительность. Лучшие современные определения климата рассматривают его как совокупный опыт погоды и поведения атмосферы в течение ряда лет в данном регионе.Климат – это не просто «средняя погода» (устаревшее и всегда неадекватное определение). Он должен включать не только средние значения климатических элементов, преобладающих в разное время, но также их экстремальные диапазоны и изменчивость, а также повторяемость различных проявлений. Точно так же, как один год отличается от другого, десятилетия и столетия отличаются друг от друга на меньшую, но иногда значительную величину.
